非接触型原子間力顕微鏡による単一分子化学分析への挑戦

使用非接触式原子力显微镜进行单分子化学分析的挑战

基本信息

批准号：
12750031
负责人：
大西洋
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kanagawa Academy of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

非接触型原子間力顕微鏡(NC-AFM)は探針と試料表面の間にはたらく微弱な引力を検出して探針の高さをフィードバック制御する走査プローブ顕微鏡である。シリコン表面における原子分解能観察の実現を契機として急速な発展を遂げつつあり、絶縁体や生体物質表面に適用可能なプローブ顕微鏡法として注目されている。特に、分散力・静電気力・水素結合力・化学結合力などの中から特定の力成分を抽出することができれば、探針-試料間にはたらく力に基づいた試料最表面の化学分析が可能になると期待されている。しかし、分子の物理的サイズや化学的性質が顕微鏡画像におよぼす影響を定量的に評価した研究は、本研究以前にはまったくなかった。本研究では、NC-AFMによる単一分子化学分板の第一歩として、置換基を系統的に変化させた一連のカルボン酸イオン(HCOO, CH_3COO, (CH_3)_3CCOO, CF_3COO, CF_2HCOO, HC 三CCOO)を混合吸着させた二酸化チタン結晶(110)表面を観察した。別種の分子が混ざり合って吸着した表面において、NC-AFM画像の高低から分子種を識別することができた。さらに、分子の物理的サイズと永久双極子がNC-AFM像にどのように反映されるかを定量的に評価することに成功した。このようにして、試料に電導性を要求しないNC-AFMが吸着分子の化学的性質に敏感であり、ナノデバイス・インテリジェントセンサー・生体物質・触媒などの表面で進行する化学反応の観察を可能にする原子分解能顕微鏡であることを実証できた。この成果は、NC-AFMに関する国際会議招待講演、NC-AFMに関する単行本への寄稿などを通して発信され、関係者の注目を集めている。

非接触式原子力显微镜（NC-AFM）是一种扫描探针显微镜，通过检测探针与样品表面之间作用的微弱吸引力来反馈控制探针的高度。随着硅表面原子分辨率观察的实现，已经取得了快速进展，并且作为可应用于绝缘体和生物材料表面的探针显微镜方法而受到关注。特别是，如果可以从色散力、静电力、氢键力、化学键力等中提取特定的力分量，则可以基于作用在尖端和探针之间的力对样品的最外表面进行化学分析。样本预计会发生这种情况。然而，在这项研究之前，还没有研究定量评估分子的物理尺寸和化学性质对显微图像的影响。在这项研究中，作为使用 NC-AFM 进行单分子化学分离的第一步，我们分析了一系列具有系统变化的取代基的羧酸离子（HCOO、CH_3COO、(CH_3)_3CCOO、CF_3COO、CF_2HCOO、HC3）。其上进行了CCOO)混合吸附的二氧化钛晶体(110)的表面。在不同类型的分子混合和吸附的表面上，可以从 NC-AFM 图像的高度来识别分子类型。此外，我们成功地定量评估了分子和永久偶极子的物理尺寸如何在 NC-AFM 图像中反映。这样，NC-AFM不需要样品具有导电性，却对吸附分子的化学性质敏感，使得观察纳米器件、智能传感器、生物材料、催化剂、等等。我们能够证明这是一种原子分辨率显微镜，可以这些成果已通过NC-AFM国际会议特邀报告、NC-AFM书籍撰写等方式得到传播，并引起了相关各方的关注。