JP2000275162A - Cantilever for afm made of functional organic macromolecular gel - Google Patents

Cantilever for afm made of functional organic macromolecular gel

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JP2000275162A
JP2000275162A JP11081030A JP8103099A JP2000275162A JP 2000275162 A JP2000275162 A JP 2000275162A JP 11081030 A JP11081030 A JP 11081030A JP 8103099 A JP8103099 A JP 8103099A JP 2000275162 A JP2000275162 A JP 2000275162A
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organic polymer
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淳子 岡村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve change in physical properties corresponding to the surface environment of a sample and the transfer of a substance by connecting an organic macromolecular gel to the cantilever probe of an atomic force micro scope (ATM). SOLUTION: The outer surface of a cantilever probe T for ATM in a shape being used conventionally is covered with gel G, or the inside of the probe T is filled with the gel G for formation so that a tip part can be exposed, and a functional organic gel is allowed to exist at the tip of the probe T that approaches or touches the sample. The organic macromolecular gel may cause volume phase transformation (swelling, shrinkage) by external stimulus, namely pH change, temperature change, light emission, electric field, strength of compositions and ions in a solution, or the like. The organic macromolecular gel is represented by acrylamide gel, acrylamide derivative gel, and the like, and acrylamide/acryl acid copolymer gel are especially preferable. In this sort of cantilever for AFM, the characteristics (hardness, size, and the like of probe) change according to the surface environment of the sample for imaging corresponding to environment.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡
(atomic force microscopy : AFM)のカンチレバーに
関し、特に、探針に機能性ゲルが結合された従来のもの
とは全く異なる新しいタイプのAFM用カンチレバーに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic force microscopy (AFM) cantilever, and more particularly to a new type of AFM which is completely different from a conventional type in which a functional gel is bonded to a probe. About the cantilever.

【0002】[0002]

【従来の技術】良く知られているように、原子間力顕微
鏡(AFM)は、カンチレバーと呼ばれるきわめて柔い
バネの先端に針状の突起(探針)を設け、この探針を試
料に近づけたときに試料表面と探針の間に発生する微弱
な力(原子間力)をカンチレバーのひずみを介して測定
できるようにしたものであり、試料の固体表面をナノメ
ーターのスケールで観察することができる装置として利
用されている。
2. Description of the Related Art As is well known, an atomic force microscope (AFM) is provided with a needle-like projection (tip) at the tip of an extremely soft spring called a cantilever, and this tip is brought close to a sample. The ability to measure the weak force (atomic force) generated between the sample surface and the probe through the cantilever strain when observing the solid surface of the sample on a nanometer scale. It is used as a device that can

【0003】ここで、従来からAFMは、固体表面を可
及的に高分解能で見ること(イメージング)を主目的に
研究および開発が進められ、したがって、カンチレバー
に関しても、その探針をできるだけ剛直で小さく先鋭に
して表面の像が反映されるように工夫がなされてきた。
しかしながら、有機化学やバイオ関連分野への応用にお
いては、柔軟で壊れやすく弾性的な試料を被写体とする
ことも少なくなく、また、高分解能のイメージングを第
一義的な目的としないことも多い。このような場合に
は、物質の移送を伴うことなく特定の環境条件下の測定
に適するように専ら剛直化や先鋭化を指向した探針は必
ずしも最適ではない。
[0003] Heretofore, AFM has been studied and developed with the main purpose of viewing (imaging) a solid surface with as high a resolution as possible. Therefore, the tip of a cantilever is made as rigid as possible. It has been devised to be small and sharp so that the surface image is reflected.
However, in applications to organic chemistry and bio-related fields, a flexible, fragile and elastic sample is often used as a subject, and high-resolution imaging is often not the primary purpose. In such a case, a probe exclusively oriented to stiffening or sharpening is not necessarily optimal so as to be suitable for measurement under a specific environmental condition without transferring a substance.

【0004】柔らかい試料表面に対しても影響が少な
く、試料の表面環境に応じて特性が変わったり、さらに
は、物質の移送が可能なAFM用カンチレバー探針を得
ることができれば、単なるイメージングのみならず、試
料表面の各種の情報を取得して、AFMの有用性をさら
に高めるものと期待されるが、そのようなAFM用カン
チレバー探針を具現化した技術は見当たらない。
[0004] The influence on the soft sample surface is small, and the characteristics change according to the surface environment of the sample. Furthermore, if a cantilever probe for AFM that can transfer a substance can be obtained, if only imaging is performed, However, it is expected that various kinds of information on the sample surface will be acquired to further enhance the usefulness of the AFM. However, there is no technology embodying such a cantilever probe for the AFM.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、試料
の表面環境に応じて特性が変化したり物質の移送を可能
にするようなAFM用カンチレバー探針を実現すること
により、AFMに基づく新たな測定技術を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cantilever probe for an AFM that changes its characteristics in accordance with the surface environment of a sample and enables the transfer of a substance, thereby achieving an AFM-based probe. It is to provide a new measurement technique.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、外部刺激に
応じて体積相転移(膨潤・収縮)することにより様々の
機能を発現する有機高分子ゲルに注目し、このような機
能性ゲルをAFM用カンチレバーの探針表面に結合し得
る技術を確立して本発明を導き出したものである。
Means for Solving the Problems The present inventors have focused on organic polymer gels that exhibit various functions by undergoing a volume phase transition (swelling / shrinking) in response to an external stimulus. The present invention has been established by establishing a technique capable of bonding to the probe surface of an AFM cantilever.

【0007】かくして、本発明は、先ず、原子間力顕微
鏡(AFM)のカンチレバーの探針に有機高分子ゲルが結
合していることを特徴とするAFM用カンチレバーを提
供する。本発明のAFM用カンチレバーの好ましい態様
の1つにおいては、有機高分子ゲルは、アクリルアミド
/アクリル酸共重合体のゲルから成る。
Thus, the present invention first provides an AFM cantilever characterized in that an organic polymer gel is bonded to a probe of an atomic force microscope (AFM) cantilever. In one preferred embodiment of the cantilever for AFM of the present invention, the organic polymer gel comprises an acrylamide / acrylic acid copolymer gel.

【0008】本発明は、さらに、上記のAFMカンチレ
バーを調製する方法であって、(1)該カンチレバーを
構成する材料と化学結合する官能基および所望の有機高
分子ゲルを構成するモノマーと化学結合する官能基を有
するカップリング剤で、前記カンチレバーの探針を被覆
し、次いで(2)カップリング剤被覆後の探針を前記有
機高分子ゲルを形成するためのモノマーを含有する重合
溶液に浸漬して重合を行わせ、溶液中でゲルが形成する
直前に探針を取り出すことにより該探針に有機高分子ゲ
ルの薄層を形成させる工程を含むことを特徴とする方法
を提供する。
The present invention further relates to a method for preparing the above-mentioned AFM cantilever, which comprises the following steps: (1) a functional group chemically bonding to a material constituting the cantilever and a monomer forming a desired organic polymer gel to a chemical bond; The probe of the cantilever is coated with a coupling agent having a functional group to be formed, and then (2) the probe after coating the coupling agent is immersed in a polymerization solution containing a monomer for forming the organic polymer gel. And causing the probe to form a thin layer of an organic polymer gel by removing the probe immediately before the gel is formed in the solution.

【0009】AFM用カンチレバーの好ましい態様とし
て有機高分子ゲルがアクリルアミド/アクリル酸共重合
体ゲルから成る場合は、本発明の方法において、カンチ
レバーは窒化ケイ素またはケイ素から構成され、カップ
リング剤はアルキル鎖の末端にビニル基を有するシラン
カップリング剤であり、シランカップリング剤被覆後の
探針をアクリルアミドモノマー、アクリル酸モノマーお
よび架橋剤を含有する共重合溶液に浸漬して重合を行わ
せ、探針表面にアクリルアミド/アクリル酸共重合体ゲ
ルの薄層を形成させる。
In a preferred embodiment of the cantilever for AFM, when the organic polymer gel comprises an acrylamide / acrylic acid copolymer gel, in the method of the present invention, the cantilever is composed of silicon nitride or silicon, and the coupling agent is an alkyl chain. Is a silane coupling agent having a vinyl group at the end of the silane coupling agent.The probe after coating with the silane coupling agent is immersed in a copolymer solution containing an acrylamide monomer, an acrylic acid monomer and a cross-linking agent, and the polymerization is performed. A thin layer of acrylamide / acrylic acid copolymer gel is formed on the surface.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明のAFM用カンチレバー
は、探針に有機高分子ゲルが結合しているという新規な
構造から成る。ここで本明細書において用いている「探
針」という語は、既述のAFMに関する説明からも理解
されるように、試料表面に接近または当接する針状の突
起部を指し、また、カンチレバーとは、原子間力に応じ
て歪むバネ状部を指称し、探針を含むものとする。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The cantilever for AFM of the present invention has a novel structure in which an organic polymer gel is bonded to a probe. As used herein, the term "probe" refers to a needle-shaped protrusion approaching or abutting on the sample surface, as can be understood from the description of the AFM described above. Refers to a spring-like portion that is distorted in response to an atomic force and includes a probe.

【0011】但し、本発明のAFM用カンチレバーと
は、AFMに一般的に用いられているような形状のみな
らず、AFM以外の走査型プローブ顕微鏡(scanning p
robe microscopy : SPM)において用いられているプロ
ーブに類似するような形状を採用したものも指称するも
のとする。図1は、そのような本発明のAFM用カンチ
レバーの代表的形状を示すものである。
However, the cantilever for AFM of the present invention is not limited to a shape generally used for AFM, but also to a scanning probe microscope other than AFM.
robe microscopy (SPM) also refers to one that adopts a shape similar to the probe used in SPM. FIG. 1 shows a typical shape of such an AFM cantilever of the present invention.

【0012】図1の(a)は、従来よりAFM用カンチ
レバーとして採用されている典型的形状であり、カンチ
レバーの探針(T)の外表面がゲル(G)で覆われてい
る。他方、図1の(b)は、内包型、すなわち探針
(T)の内部にゲル(G)を満たし先端部が露出するよ
うにした形状である。図から理解されるように、図1の
(b)に示す態様は近接場光顕微鏡で用いられるプロー
ブに類似している(近接場光顕微鏡においてはゲルが満
たされている内部に相当するところに光ファイバーが配
設されている)。
FIG. 1A shows a typical shape conventionally used as an AFM cantilever, wherein the outer surface of a probe (T) of the cantilever is covered with a gel (G). On the other hand, FIG. 1 (b) shows an internal type, that is, a shape in which the inside of the probe (T) is filled with the gel (G) so that the tip is exposed. As can be understood from the figure, the embodiment shown in FIG. 1B is similar to the probe used in the near-field light microscope (in the near-field light microscope, the portion corresponding to the inside filled with the gel is shown). Optical fiber is provided).

【0013】図1の(a)および(b)に示すように、
本発明のAFM用カンチレバーにおいては、少なくと
も、試料に接近または当接する探針の先端に後述するよ
うな機能性有機ゲルが存在するように構成されていれば
よい。
As shown in FIGS. 1A and 1B,
The AFM cantilever of the present invention only needs to be configured so that at least a functional organic gel as described below exists at the tip of the probe that approaches or contacts the sample.

【0014】このように、本発明に従いAFM用カンチ
レバーの探針の先端に取り付ける有機高分子ゲルは、特
に限定されるものではなく、外部刺激、すなわち、pH
変化、温度変化、光照射、電場、溶液中の組成やイオン
の強度などにより体積相転移(膨潤・収縮)を起こすよ
うなものであれば、いかなるゲルも基本的には適用でき
る。
As described above, the organic polymer gel attached to the tip of the probe of the cantilever for AFM according to the present invention is not particularly limited.
Basically, any gel can be used as long as it causes a volume phase transition (swelling / shrinking) due to change, temperature change, light irradiation, electric field, composition in the solution, ionic strength, and the like.

【0015】そのような有機高分子ゲルとして代表的な
ものは、アクリルアミドゲル、アクリルアミド誘導体ゲ
ル(例えば、イソプロピルアクリルアミドゲル、アクリ
ロイルピペリジンゲル)、またはアクリルアミドもしく
はその誘導体と、アクリル酸、ビニル酢酸もしくはアリ
ル酢酸との共重合体ゲルである。特に好ましいゲルの1
例は、アクリルアミド/アクリル酸共重合体ゲルであ
り、このゲルは、pH、温度、電場などに応じて体積相
転移を起こすことが知られている。有機高分子ゲルとし
ては、上記のようなアクリル系のゲルの他、スチレン誘
導体ゲルなどの合成高分子によるゲル、さらには、ゼラ
チンゲル、アガロースゲル、DNAゲルのような天然高
分子由来のゲルも使用できる。
Typical examples of such an organic polymer gel include acrylamide gel, acrylamide derivative gel (eg, isopropylacrylamide gel, acryloylpiperidine gel), or acrylamide or a derivative thereof, and acrylic acid, vinyl acetic acid or allyl acetic acid. And a copolymer gel of One of the particularly preferred gels
An example is an acrylamide / acrylic acid copolymer gel, which is known to undergo a volume phase transition depending on pH, temperature, electric field, and the like. As the organic polymer gel, in addition to the acrylic gel as described above, a gel made of a synthetic polymer such as a styrene derivative gel, and a gel derived from a natural polymer such as a gelatin gel, an agarose gel, and a DNA gel. Can be used.

【0016】本発明は、上記のごとき機能性有機ゲルを
AFM用カンチレバーに結合させるための方法も提供す
る。すなわち、本発明の方法においては、先ず、カンチ
レバーをカップリング剤の溶液に浸漬することにより、
該カップリング剤でカンチレバー探針を被覆する。ここ
で、カンチレバーが、図1の(a)に示すような形状の
場合は、カンチレバーの探針のみをカップリング剤溶液
に浸漬すればよいが、図1の(b)に示すような形状の
場合はカンチレバー全体をカップリング剤溶液に浸漬し
て内部の腔表面がカップリング剤で被覆されるようにす
る。
The present invention also provides a method for binding a functional organic gel as described above to an AFM cantilever. That is, in the method of the present invention, first, by immersing the cantilever in a solution of the coupling agent,
The cantilever probe is coated with the coupling agent. Here, when the cantilever has a shape as shown in FIG. 1A, only the probe of the cantilever may be immersed in the coupling agent solution, but the shape as shown in FIG. In this case, the entire cantilever is immersed in the coupling agent solution so that the inner cavity surface is covered with the coupling agent.

【0017】カップリング剤としては、カンチレバーを
構成する材料(表面)と化学結合する官能基および所望
の有機高分子ゲルを構成するモノマーと化学結合する官
能基を有するものを用いる。このようなカップリング剤
は、無機材料と有機高分子材料とを組み合わせる複合材
料の性能向上のために従来より使用されているシラン
系、チタネート系、クロム系など多くのカップリング剤
から、カンチレバーを構成している材料および所望の機
能性ゲルの種類に応じて選ぶことができる。
As the coupling agent, one having a functional group chemically bonding to a material (surface) constituting the cantilever and a functional group chemically bonding to a monomer constituting a desired organic polymer gel is used. Such a coupling agent cantilever cantilever from many coupling agents such as silane, titanate, and chromium, which are conventionally used for improving the performance of a composite material combining an inorganic material and an organic polymer material. It can be selected according to the constituent material and the type of desired functional gel.

【0018】好ましいカップリング剤は、シランカップ
リング剤であり、カンチレバーの材質〔セラミック(ガ
ラス、シリカを含む)、ケイ素、金属〕に応じて、それ
らと化学結合する反応基(例えば、ハロゲン基、アルコ
キシル基など。これらは加水分解されてシラノール基と
なり無機物質表面と反応する)、および所望の高分子ゲ
ルを構成する化学結合する官能基(ビニル基、エポキシ
基、アミノ基、メルカプト基など)を有するものを用い
る。例えば、最も一般的なケイ素(Si)や窒化ケイ素
(Si)から構成されたカンチレバーに、アクリ
ルアミド/アクリル酸共重合体ゲルの薄層を結合させる
場合には、アルキル鎖の末端にビニル基を有するシラン
カップリング剤(例えば、アリルトリクロロシラン、7
−オクテニルトリクロロシラン)が好ましい。
Preferred coupling agents are silane coupling agents, and depending on the material of the cantilever (ceramics (including glass and silica), silicon and metal), a reactive group (for example, a halogen group, Alkoxyl groups, etc., which are hydrolyzed to silanol groups and react with the surface of the inorganic substance), and the functional groups (vinyl group, epoxy group, amino group, mercapto group, etc.) that form the desired polymer gel and chemically bond. Use what you have. For example, when a thin layer of an acrylamide / acrylic acid copolymer gel is bonded to a cantilever composed of silicon (Si) or silicon nitride (Si 3 N 4 ), which is the most common, a vinyl is added to the end of the alkyl chain. Group-containing silane coupling agents (for example, allyltrichlorosilane, 7
-Octenyltrichlorosilane) is preferred.

【0019】本発明の方法においては、上記のようにカ
ップリング剤で被覆されたカンチレバー(カンチレバー
探針)を、次に、有機高分子ゲルを形成するためのモノ
マーを含有する重合溶液に浸漬して重合を行わせること
により、カンチレバー(カンチレバー探針)に有機高分
子ゲルの薄層を形成させる。
In the method of the present invention, the cantilever (cantilever probe) coated with the coupling agent as described above is then immersed in a polymerization solution containing a monomer for forming an organic polymer gel. The polymerization is performed to form a thin layer of the organic polymer gel on the cantilever (cantilever probe).

【0020】このように本発明の方法に従い、カンチレ
バー上に機能性の有機高分子ゲルの薄層を確実に形成さ
せるためには、以下に記すように、重合反応の反応物や
反応条件の選定に注意すべき点が幾つかある。
As described above, in order to reliably form a thin layer of a functional organic polymer gel on a cantilever according to the method of the present invention, the reaction products and reaction conditions for the polymerization reaction are selected as described below. There are a few things to keep in mind.

【0021】第一に注意すべきことは、カンチレバーの
表面を被覆(修飾)するカップリング剤において、有機
高分子ゲルを構成するモノマーと反応して化学結合する
官能基は、その反応性が比較的低いものにすることであ
る。反応性の高い官能基を用いると、後の重合工程(ゲ
ル形成工程)で、過度の架橋が形成されてゲルではなく
なり硬化ポリマーとなってしまうからである。したがっ
て、例えば、上述したようにアルキル鎖の末端にあり反
応性の低いビニル基を有するシランカップリング剤を用
いて、カンチレバー表面を修飾する。
First, it should be noted that, in the coupling agent that coats (modifies) the surface of the cantilever, the functional group that reacts with the monomer constituting the organic polymer gel to form a chemical bond has a relatively low reactivity. It is to make it low. If a highly reactive functional group is used, excessive crosslinking will be formed in the subsequent polymerization step (gel formation step), and the gel will not be a gel but a cured polymer. Therefore, for example, as described above, the surface of the cantilever is modified using a silane coupling agent having a vinyl group having a low reactivity at the terminal of the alkyl chain.

【0022】次に、カップリング剤で修飾されたカンチ
レバーを、所望の有機高分子ゲルを形成するためのモノ
マーおよびその他の化合物(架橋剤、重合開始剤など)
を含有する重合溶液に浸漬し、通常のゲルを合成する条
件で重合を開始する。このとき、モノマーとして、カッ
プリング剤で修飾されたカンチレバーの表面近傍では濃
度が高くなるようなもの、すなわち、溶媒に比べてカン
チレバー表面との相互作用(引力)が強いものや溶媒の
エントロピーによりカンチレバー表面に吸着されるもの
を用いる。例えば、ビニル基で覆われたカンチレバー表
面に対しては水中のアクリル基を有するモノマー(さら
には架橋剤)を用いる。
Next, a cantilever modified with a coupling agent is converted into a monomer and other compounds (crosslinking agent, polymerization initiator, etc.) for forming a desired organic polymer gel.
And the polymerization is started under conditions for synthesizing a normal gel. At this time, as the monomer, one having a higher concentration near the surface of the cantilever modified with the coupling agent, that is, a monomer having a stronger interaction (attraction) with the cantilever surface than the solvent, or a cantilever due to the entropy of the solvent. Use what is adsorbed on the surface. For example, a monomer having an acrylic group in water (and a crosslinking agent) is used for the surface of the cantilever covered with a vinyl group.

【0023】このようにして、バルク(重合反応溶液)
がゲル化点に到達する前にカンチレバーを反応溶液から
取り出すと、該溶液はゲル化していないがカンチレバー
表面ではモノマーの濃度がバルクにおけるよりも高いた
めに、より早くゲル化が進行しており、有機高分子ゲル
の薄層(膜)がグラフトされたカンチレバー(カンチレ
バー探針)を作成できる。有機高分子ゲルの膜の厚さ
は、一般に、数ナノメーターから数百ナノメーターの範
囲にあり、この膜厚は、重合反応溶液からカンチレバー
を取り出す時間がバルクのゲル化点に近ければ近いほど
厚くなる。さらに、ゲルの膜厚は、このように反応時間
を調整するだけでなく、モノマー濃度、架橋剤濃度、開
始剤濃度を変化させても制御できる。
Thus, the bulk (polymerization reaction solution)
If the cantilever is removed from the reaction solution before reaching the gel point, the solution is not gelled, but the gelation is progressing faster because the concentration of the monomer is higher on the surface of the cantilever than in the bulk, A cantilever (cantilever probe) to which a thin layer (film) of an organic polymer gel is grafted can be prepared. The thickness of the organic polymer gel film is generally in the range of several nanometers to several hundred nanometers, and this film thickness is such that the closer the cantilever is removed from the polymerization reaction solution, the closer to the gel point of the bulk. It gets thicker. Further, the thickness of the gel can be controlled not only by adjusting the reaction time as described above, but also by changing the monomer concentration, the cross-linking agent concentration, and the initiator concentration.

【0024】以上のようにして調製され、外部刺激に応
答して体積相転移するゲルを結合した本発明のAFM用
カンチレバーは、外部刺激、すなわち、試料の表面環境
に応じて、その特性、例えば探針の硬さや大きさ(体
積)が変化するので、そのような環境に応じたイメージ
ングが可能となる。例えば、AFM画像が得られない試
料について、その試料表面のpHを変化させることによ
りイメージングができるようになる。
The cantilever for AFM of the present invention, which has been prepared as described above and is bound with a gel that undergoes a phase transition in response to an external stimulus, has properties, for example, depending on the external stimulus, that is, the surface environment of the sample. Since the hardness and size (volume) of the probe change, imaging according to such an environment becomes possible. For example, for a sample for which an AFM image cannot be obtained, imaging can be performed by changing the pH of the sample surface.

【0025】さらに、試料表面の特定の環境(例えば、
pH、温度、組成など)に従ってAFM用カンチレバー
が動くようにすることも可能であるので、それらの環境
に関する試料表面上の情報を得ることができる。
Furthermore, a specific environment (for example,
It is also possible to make the AFM cantilevers move according to pH, temperature, composition, etc., so that information on their environment on the sample surface can be obtained.

【0026】そして、探針の先端に機能性ゲルの膜(薄
層)を結合させ、その体積相転移(膨潤・収縮)を介し
て上記のごとき操作を行う本発明のAFM用カンチレバ
ーは、ゲルの膜内に水などの溶媒や溶質分子を保持する
とともに、ナノスケールでそれらの水や他の分子の探針
への(もしくは探針からの)物質移送、表面上の一点か
ら異なる場所への物質移送、さらには外部から試料表面
への物質移送を実現する。したがって、本発明のカンチ
レバーを用いれば、単なるイメージングにとどまらず、
環境の変化に応じた物質移送も考慮した表面状態の観察
や表面物性の解析などが可能な新たなAFM測定技術が
期待される。AFMカンチレバー探針の外部表面を化学
修飾して、特定の化学部位を表面に露出する膜で探針を
覆うことは従来も行われていたが、これらは、架橋され
ていない、低分子からなる膜であり、ゲルではない。し
たがって、これらの膜内に溶媒や溶質分子を保持でき
ず、外部との物質交換はできない。
The AFM cantilever of the present invention, in which a functional gel film (thin layer) is bonded to the tip of the probe and the above operation is performed through its volume phase transition (swelling / shrinking), While holding solvents and solute molecules such as water in the membrane of the membrane, transferring the water and other molecules to and from the probe on the nanoscale, and moving from one point on the surface to a different location Material transfer, and further, material transfer from the outside to the sample surface is realized. Therefore, if the cantilever of the present invention is used, it goes beyond mere imaging.
A new AFM measurement technique is expected that enables observation of the surface state and analysis of physical properties of the surface in consideration of material transfer according to environmental changes. Chemical modification of the outer surface of an AFM cantilever probe to cover the probe with a film that exposes specific chemical sites to the surface has traditionally been performed, but these are non-crosslinked, small molecules. It is a membrane, not a gel. Therefore, a solvent or a solute molecule cannot be held in these films, and a substance exchange with the outside cannot be performed.

【0027】なお、本発明のカンチレバー(カンチレバ
ー探針)を用いるAFM測定には、AFMを含むSPM
の分野において従来から使用されているようなハードウ
ェアおよびソフトウェアをそのまま利用できる。
In the AFM measurement using the cantilever (cantilever probe) of the present invention, the SPM including the AFM is used.
Hardware and software that have been conventionally used in the field can be used as they are.

【0028】[0028]

【実施例】以下に本発明の特徴をさらに明かにするため
実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限され
るものではない。実施例1:AFM用pH応答型ゲル探針の特性試験 図1の(a)に示すような窒化ケイ素(Si)製
のAFM用カンチレバー探針を反応性の低いビニル基を
有するシランカップリング剤で修飾(被覆)した。すな
わち、窒素雰囲気下に該探針を、アリルトリクロロシラ
ンまたは7−オクテニルトリクロロシランの無水トルエ
ン溶液(1mM)に30分間浸漬した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to further clarify the features of the present invention,
Although an example is shown, the present invention is limited by this example.
Not something.Example 1: Characteristic test of pH-responsive gel probe for AFM  Silicon nitride (Si) as shown in FIG.3N4) Made
AFM cantilever tip with low reactivity vinyl group
Modified (coated) with the silane coupling agent. sand
That is, under a nitrogen atmosphere, the probe is
Toluene or 7-octenyltrichlorosilane
Immersion solution (1 mM) for 30 minutes.

【0029】次に、シランカップリング剤で表面修飾し
たこのカンチレバーをアクリルアミド(0.185M)、ア
クリル酸(0.185M)、ビスアクリルアミド(2.28m
M:架橋剤)、およびアンモニウム・ペルサルフェート
/TEMED(14.7/44.7mM:開始剤)から成る共重
合溶液に浸漬し、アクリルアミド/アクリル酸共重合体
のゲルを生成させた。60分間、重合溶液に浸漬を行っ
たところ、バルク(重合溶液本体)は未だゲル化点に到
達していなかったが、カンチレバーを溶液から取り出
し、洗浄後、直ちにAFM実験を行った。なお、この重
合条件で生成するアクリルアミド/アクリル酸共重合体
ゲルの乾燥時の膜厚は約6nmであることがAFMによ
り確認されている。
Next, this cantilever surface-modified with a silane coupling agent was treated with acrylamide (0.185 M), acrylic acid (0.185 M) and bisacrylamide (2.28 m
M: crosslinker) and a copolymer solution consisting of ammonium persulfate / TEMED (14.7 / 44.7 mM: initiator) to form an acrylamide / acrylic acid copolymer gel. When immersed in the polymerization solution for 60 minutes, the bulk (polymerization solution body) had not yet reached the gel point, but the cantilever was taken out of the solution, and immediately after washing, the AFM experiment was performed. It is confirmed by AFM that the film thickness of the acrylamide / acrylic acid copolymer gel formed under these polymerization conditions when dried is about 6 nm.

【0030】AFM実験は、室温下、水中(約10mM
のNaを含有)のガラス表面(疎水性表面)でpHを
変えながら実施した。AFMカンチレバーのバネ定数は
0.032N/mとし、また、カンチレバー探針の昇降速度
は500nm/秒とした。
The AFM experiment was performed in water (about 10 mM) at room temperature.
Na + ) glass surface (hydrophobic surface) while changing the pH. The spring constant of the AFM cantilever is
0.032 N / m, and the lifting speed of the cantilever tip was 500 nm / sec.

【0031】図2は、探針の位置を固定してpH値を変
えた場合において、水中での探針と疎水性ガラス表面と
の間に生じる力/距離の関係を示すものである。pH7
においては、距離が接近すると反撥力は徐々に大きくな
っているが、吸引力は広い範囲にわたって距離とは無関
係であり、探針上のゲルは膨潤状態にあり親水性である
ことを示している〔図2の(a)〕。他方、pHが2に
低下すると、反撥力の存する範囲が少なくなるのに対し
て、一定の距離において強い吸引力が認められ、ゲル層
が収縮し疎水性になることを示している〔図2の
(b)〕。事実、バルクのアクリルアミド/アクリル酸
共重合体ゲルも、pH2以下で収縮し、3以上で膨潤す
ることが認められている。
FIG. 2 shows the force / distance relationship between the probe and the surface of the hydrophobic glass in water when the pH value is changed while the position of the probe is fixed. pH 7
In, the repulsive force gradually increases as the distance approaches, but the suction force is independent of the distance over a wide range, indicating that the gel on the probe is in a swelling state and hydrophilic. [(A) of FIG. 2]. On the other hand, when the pH is lowered to 2, the range in which the repulsive force is present decreases, whereas a strong suction force is observed at a certain distance, indicating that the gel layer contracts and becomes hydrophobic [FIG. (B)]. In fact, it has been observed that bulk acrylamide / acrylic acid copolymer gels also shrink at pH 2 or lower and swell at pH 3 or higher.

【0032】図3は、pHを変えてガラス表面のイメー
ジングを試みた結果を示すものである。pH6では、厚
く膨潤して試料表面に付着し、画像が得られないゲル探
針でも(図3のA)、pHを2以下に下げると数十ナノ
メーターの分解能で再現性よくイメージングできた(図
3のB)。このように、アクリルアミド/アクリル酸共
重合体の高分子ゲル層が結合されることにより、pH応
答型のAFM用カンチレバー探針として機能することが
確認された。
FIG. 3 shows the results of an attempt to image the glass surface by changing the pH. At pH 6, even with a gel probe that swells thickly and adheres to the sample surface and an image cannot be obtained (A in FIG. 3), when the pH was reduced to 2 or less, reproducible imaging was possible with a resolution of several tens of nanometers ( FIG. 3B). As described above, it was confirmed that the polymer gel layer of the acrylamide / acrylic acid copolymer functions as a pH-responsive cantilever probe for AFM.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のAFM用カンチレバーの代表的形状を
示すものであり、(a)はAMFで一般的に用いられて
いるカンチレバー探針の表面をゲルで被覆する形式のも
のであり、また、(b)は探針の内部腔にゲルを満た
し、先端部にゲルを露出させる形式のものである。
FIG. 1 shows a typical shape of a cantilever for AFM of the present invention, wherein (a) shows a form in which the surface of a cantilever probe generally used in AMF is coated with a gel; And (b) shows a type in which the gel is filled in the inner cavity of the probe and the gel is exposed at the tip.

【図2】有機高分子ゲルが結合した本発明のAFM用カ
ンチレバーを用いてAFM測定を行った場合の力曲線の
1例を示す。
FIG. 2 shows an example of a force curve when an AFM measurement is performed using the AFM cantilever of the present invention to which an organic polymer gel is bound.

【図3】有機高分子ゲルが結合した本発明のカンチレバ
ーを有するAFMでイメージングを実施した場合のセラ
ミック材料(ガラス)の組織を示す顕微鏡写真である。
なお、図中のスケールバーは200nmである。
FIG. 3 is a micrograph showing a structure of a ceramic material (glass) when imaging is performed by an AFM having a cantilever of the present invention to which an organic polymer gel is bonded.
The scale bar in the figure is 200 nm.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 原子間力顕微鏡(AFM)のカンチレバー
の探針に有機高分子ゲルが結合していることを特徴とす
るAFM用カンチレバー。
1. A cantilever for an AFM, wherein an organic polymer gel is bonded to a probe of the cantilever of an atomic force microscope (AFM).
【請求項2】 有機高分子ゲルが、pHに応じて膨潤・収
縮するアクリルアミド/アクリル酸共重合体のゲルから
成ることを特徴とする請求項1のAFM用カンチレバ
ー。
2. The cantilever for AFM according to claim 1, wherein the organic polymer gel comprises an acrylamide / acrylic acid copolymer gel that swells and shrinks according to pH.
【請求項3】 請求項1のAFM用カンチレバーを調製
する方法であって、(1)該カンチレバーを構成する材
料と化学結合する官能基および所望の有機高分子ゲルを
構成するモノマーと化学結合する官能基を有するカップ
リング剤で、前記カンチレバーの探針を被覆し、次いで
(2)カップリング剤被覆後の探針を前記有機高分子ゲ
ルを形成するためのモノマーを含有する重合溶液に浸漬
して重合を行わせ、溶液中でゲルが形成する直前に探針
を取り出すことにより該探針に有機高分子ゲルの薄層を
形成させる工程を含むことを特徴とする方法。
3. A method for preparing the cantilever for AFM according to claim 1, wherein (1) chemically bonding with a functional group chemically bonding with a material forming the cantilever and a monomer forming a desired organic polymer gel. The probe of the cantilever is coated with a coupling agent having a functional group, and then (2) the probe after coating the coupling agent is immersed in a polymerization solution containing a monomer for forming the organic polymer gel. A method of forming a thin layer of an organic polymer gel on the probe by removing the probe immediately before the gel is formed in the solution.
【請求項4】 請求項2のAFM用カンチレバーを調製
する方法であって、請求項3の方法において、カンチレ
バーが窒化ケイ素またはケイ素から構成され、カップリ
ング剤がアルキル鎖の末端にビニル基を有するシランカ
ップリング剤であり、シランカップリング剤被覆後の探
針をアクリルアミドモノマー、アクリル酸モノマーおよ
び架橋剤を含有する共重合溶液に浸漬して重合を行わ
せ、探針表面にアクリルアミド/アクリル酸共重合体ゲ
ルの薄層を形成させることを特徴とする方法。
4. The method for preparing the cantilever for AFM according to claim 2, wherein the cantilever is composed of silicon nitride or silicon, and the coupling agent has a vinyl group at a terminal of the alkyl chain. A silane coupling agent, a probe coated with a silane coupling agent is immersed in a copolymer solution containing an acrylamide monomer, an acrylic acid monomer and a cross-linking agent to cause polymerization. A method comprising forming a thin layer of a polymer gel.
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