CN108241075A - 一种在气相环境中进行单分子力谱测试的方法 - Google Patents

Abstract

一种在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，属于单分子力谱测量技术领域。解决了如何能在气相环境中进行单分子力谱检测的问题。本发明的测试方法，是先将承载样品的基底放在载物台上，调节原子力显微镜的AFM探针与样品所处环境的相对湿度为20％以下，然后通过扫描器的伸缩带动探针移动，最后通过激光检测器与扫描器的参数得到力‑距离曲线，从而获得聚合物分子在气相环境下的力学信号。该方法能够在气相环境下研究聚合物片晶单链力致熔融解链的过程与机制以及聚合物分子在气相环境下的单链行为与力学响应，并且该方法对聚合物单个分子链的拉伸速度可以在几十纳米每秒到上百微米每秒间进行调节，所得的力‑距离曲线的力精度为5个皮牛。

Description

一种在气相环境中进行单分子力谱测试的方法

技术领域

本发明属于单分子力谱测量技术领域，具体涉及一种在气相环境中进行单分子力谱测试的方法。

背景技术

时至今日，聚合物半晶材料广泛运用在人类社会。聚合物半晶材料由晶相与无定形相组成的互联网络而构成(Phys.Rev.Lett.2003,91,095502)。晶相中存在大量厚度在纳米级别的片晶，这些片晶对聚合物半晶材料力学性质有着决定性的作用(Macromolecules1999,32,4390-4403)。了解片晶在受力形变时的分子行为与分子机制对于设计高性能的聚合物半晶材料十分重要。但是受限于片晶尺寸，其受力形变过程中的单个分子的行为不易被跟踪与检测。单分子力谱技术的出现使得上述想法变得可能。单分子力谱测量方法已经成为研究单个聚合物分子链行为和性质的强有力工具。研究聚合物分子的单链力学性质、受力下的力学响应行为以及分子内与分子间的相互作用对从下至上的设计新材料具有重要的指导意义(Nature 2010,465,69-73)。

单分子力谱装置主要包括:光镊、磁镊以及原子力显微镜(AFM)等(Prog.Polym.Sci.2003,28,1271-1295)。光镊是利用光探针对单分子进行操纵并测量力谱；磁镊是利用磁球对单分子进行操纵并测量力谱；原子力显微镜是通过物理吸附、化学偶联或特异性结合的方法将单个分子粘附在测量探针上，通过探针形变对单分子进行操纵并测量力谱。光镊、磁镊以及原子力显微镜的常规单分子力谱是在液相环境中进行。但是，绝大多数的聚合物半晶材料甚至绝大多数聚合物材料都是在气相环境中使用。聚合物分子在液相与气相环境下具有不同的界面能。不同的界面能极有可能导致聚合物分子在不同环境下存在不同的结构以及不同的力学响应行为(J.Am.Chem.Soc.2010,132,6530-6540)。这样在液相得到的聚合物单链性质、力学响应行为与动力学参数不能直接用于设计在非液相环境中使用的高性能聚合物材料。单分子力谱的应用范围与意义因此受到了制约，具有很大的局限性。如何能在气相环境中进行单分子力谱检测成了现阶段需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中基于原子力显微镜的单分子力谱测量方法中的不足，提供一种在气相环境中进行的单分子力谱测试的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，步骤如下：

步骤一、将承载样品的基底放在原子力显微镜的载物台上；

步骤二、调节原子力显微镜的AFM探针与样品所处环境的相对湿度为20％以下；

步骤三、调节原子力显微镜处于力谱模式，控制原子力显微镜的扫描器伸长，带动AFM探针以20nm/s～100μm/s的恒定速率逼近基底，当AFM探针的针尖接触到基底后，AFM探针的针尖以1nN～10nN的恒定下压力在基底上停留，停留过程中，AFM探针的针尖与样品接触形成桥连结构，之后控制扫描器收缩，带动AFM探针以20nm/s～100μm/s的恒定速率远离基底或在AFM探针上施加一个恒定力使之远离基底，扫描器记录AFM探针在运动方向的实时位置参数，激光检测器检测AFM探针的形变量并给出实时力值参数；

所述AFM探针的弹性系数为0.2N/m以上；

步骤四、通过激光检测器与扫描器的参数得到力-距离曲线，从而获得聚合物分子在气相环境下的力学信号。

优选的是，步骤三前，还包括，调节原子力显微镜处于成像模式，确定样品所在位置。

优选的是，还包括步骤五，判断得到的力学信号是否为单分子力学信号，如果是，停止测试，如果不是，重复步骤一～步骤四。

优选的是，所述原子力显微镜包括扫描头、石英支撑台、AFM探针、胶罩和载物台；扫描头设置在载物台的上方；石英支撑台固定在扫描头的扫描器的底部；AFM探针通过弹簧夹固定在石英支撑台的底部，通过扫描器的伸缩带动AFM探针在垂直于载物台的方向移动；胶罩为漏斗形，两端均设有开口，小口端套在石英支撑台的外壁下部，接触处密封，大口端与基底密封接触，胶罩、石英支撑台和基底形成一个闭合的腔体；

所述样品置于闭合的腔体内，通过石英支撑台内的孔道向腔体内通入排出气体以达到相对湿度要求。

优选的是，所述胶罩的材料为氟橡胶或硅胶胶圈。

优选的是，所述扫描器的最大移动距离为6μm。

优选的是，所述气体为氮气。

优选的是，所述样品为通过稀溶液自晶种法得到的聚合物单晶、稀溶液旋涂而成的聚合物膜或者分散的聚合物链。

优选的是，步骤三中，所述的停留时间为0.1s～3s。

优选的是，所述AFM探针的针尖材质为氮化硅，针尖表面未修饰或者修饰有氨基/羟基基团。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法可以直接在气相环境下研究聚合物单个分子链的行为与机制。

2、本发明提供的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法使用的装置结构简单，操作方便。

3、本发明提供的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法对聚合物单个分子链的拉伸速度可以从几十纳米每秒到上百微米每秒之间进行调控，最快拉伸速率较液相力谱提高一个数量级。

4、本发明提供的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法的力-距离曲线的力精度为5皮牛，明显高于液相力谱精度的20皮牛，有利于提升单分子力谱测量的灵敏度与准确性。

5、本发明提供的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法可以调控实验区域的微环境，提供多样的测试条件。

附图说明

图1为本发明的在气相环境下进行单分子力谱测试的原理图；

图2为本发明实施例1的PEO单晶的AFM扫描成像图；

图3为本发明实施例1的AFM探针在液相与气相环境以2μm/s的速率远离基底所得到的典型PEO力致解链的力-距离曲线；

图4为本发明实施例1的AFM探针以0.02μm/s的速率和100μm/s的速率远离基底所得到的典型PEO力致解链的力-距离曲线；

图5为本发明实施例1的AFM探针在液相与气相环境以不同速率远离基底时所得力-距离曲线的力精度；

图6为本发明实施例1的AFM探针在气相环境中以不同速率远离基底所得的力-距离曲线；

图7为本发明实施例1的AFM探针在液相环境中以不同速率远离基底所得的力-距离曲线；

图8为实施例2的AFM探针将单个PS链从PS超薄膜拉出的典型力-距离曲线；

图9为实施例2的AFM探针所得力-距离曲线上的粘附距离与AFM探针弹性系数的关系图；

图10为实施例2的AFM探针在不同微环境下所得力-距离曲线上的粘附力与相对湿度的关系图；

图中，1、扫描头，11、扫描器，12、激光检测器，13、棱镜，14、激光光源，2、石英支撑台，3、AFM探针，4、胶罩，5、载物台，6、样品，7、基底。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。本实施方式中，X、Y、Z方向两两垂直，以水平方向为X方向，以竖直方向为Z方向，以垂直于纸面方向为Y方向。

如图1所示，本发明的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，步骤如下：

步骤一、将承载样品6的基底放在原子力显微镜的载物台5上；

步骤二、调节原子力显微镜的AFM探针3与样品6所处环境的相对湿度为20％以下，优选10％以下；

步骤三、调节原子力显微镜处于力谱模式，控制原子力显微镜的扫描器11伸长，带动AFM探针3的针尖以20nm/s～100μm/s的恒定速率逼近基底7，当AFM探针3的针尖接触到基底7后，AFM探针3的针尖以1nN～10nN的恒定下压力在基底7上停留0.1s～3s，停留过程中，AFM探针3的针尖与样品6接触形成桥连结构，之后控制扫描器11收缩，带动AFM探针3以20nm/s～100μm/s的恒定速率远离基底7或在AFM探针上施加10pN～1nN的恒定力使之远离基底7，此过程中，进行单分子拉伸，扫描器11记录AFM探针3在运动方向的实时位置参数，激光检测器12检测AFM探针3的形变量并给出实时力值参数；

其中，AFM探针3的弹性系数为0.2N/m以上，通常采用0.2N/m～1.0N/m；

步骤四、通过激光检测器12与扫描器11的参数得到力-距离曲线，从而获得聚合物分子在气相环境下的力学信号。

本发明中，样品6为通过稀溶液自晶种法得到的聚合物单晶、稀溶液旋涂而成的聚合物膜或者分散的聚合物链；基底5为硅基底、硅烷化硅基底、羟基化硅基底、玻片或云母片；样品6与基底的固定方式为物理吸附、化学交联或者特异性相互作用；扫描器11为压电陶瓷扫描器；AFM探针3的针尖材质为氮化硅，针尖表面未修饰或者修饰有氨基/羟基基团。

本发明中，当样品6在基底5上负载的面积较小，在步骤三前，可以通过调节原子力显微镜处于成像模式，以确定样品6所在位置。

本发明中，为保证检测结果为准确的单分子力学信号，还包括步骤五，判断得到力学信号是否是单分子力学信号，如果是，停止测试，如果不是，重复步骤一～步骤四。判断方法为本领域技术人员掌握的现有技术，本发明提供几种依据，但不限于此：

第一、直观地从得到信号的概率和力曲线的干净程度去判断，如果得到信号的概率较低、信号较简单，就可以证明该拉伸行为单分子的拉伸；

第二、不将分子拉断，对该分子进行往复拉伸的操作，该分子往复的发生拉伸与松弛，观察拉伸或者松弛曲线是否能够重合，以及拉伸或者松弛曲线对应的力值是否一致，如果拉伸与松弛曲线能重合并且力值一致，就可以证明该拉伸行为单分子的拉伸；

第三、归一化处理，通过对末端标记分子拉伸实验，得到力曲线上分子的拉伸长度是有统计分布的，就像弹簧一样，同种材质不同长度的弹簧的弹性系数是一样的，因此对同一种分子的拉伸进行归一化处理(即在某一力值下，拉伸长度归一化)后，同样性质的拉伸力曲线就会重合在一起，就可以分辨出拉伸行为单分子的拉伸；

第四、拟合参数，通过自由连接链模型或蠕虫链模型对拉伸曲线进行拟合，得到每条拉伸曲线的拟合参数(库恩长度、链段弹性系数)都比较相近就可以证明该拉伸行为单分子的拉伸；

第五、力的统计分布，根据拉伸分子的力学性质及力曲线特点，进行相应的力学统计，如对平台力曲线统计平台力值，对单峰或多峰力曲线统计峰顶端力值等。如果得到的力值分布较窄，那么该拉伸行为则为单分子的拉伸。

本发明中，实现AFM探针3与样品6所处环境的相对湿度为20％以下的方式可以通过调节实验室整体湿度环境实现，更好的，是对现有的原子力显微镜进行简单改进，为AFM探针3与样品6提供密闭的空间，该密闭空间除能够调节湿度外，还可以调节其他微环境；

该原子力显微镜包括扫描头1、石英支撑台2、AFM探针3、胶罩4和载物台5；其中，扫描头1设置在载物台5的上方，扫描头1为现有技术，由扫描器11、激光检测器12、棱镜13和激光光源14组成，扫描器11用于带动AFM探针3移动，同时记录AFM探针3在运动方向(Z方向)的实时位置参数；激光检测器12检测AFM探针3的形变量从而给出实时的力值参数，激光光源14发射的激光依次经AFM探针3和棱镜13反射，进入激光检测器12；石英支撑台2固定在扫描头1的扫描器11的底部，石英支撑台2为现有技术，内部设有孔道；AFM探针3为现有技术，通过弹簧夹固定在石英支撑台2的底部，通过扫描器11的伸缩带动AFM探针3在垂直于载物台5的方向(Z方向)移动；胶罩4为漏斗形，两端均设有开口，小口端套在石英支撑台2的外壁下部，接触处密封，大口端与基底7密封接触，胶罩4、石英支撑台2和基底7形成一个闭合的腔体，

样品6置于闭合的腔体内，通过石英支撑台2内的孔道向腔体内通入排出气体以达到相对湿度要求，气体一般为氮气；胶罩4的材料为氟橡胶或硅胶胶圈；为避免胶罩4与基底7分离，扫描器11的最大移动距离为6μm以内。

以下结合实施例及附图进一步说明本发明。实施例中所采用的检测设备为上述简单改进的设备。

实施例1聚氧乙烯单晶的力致熔融解链研究

样品6为自晶种法在溶液相得到的聚氧乙烯(PEO)单晶，基底7为氨基化硅基底，样品6通过物理作用吸附在基底7上；AFM探针3的弹性系数为0.2N/m；胶罩4的材料为氟橡胶；通入气体为氮气；相对湿度为11％。

测试过程为：将承载样品6的基底7设置在载物台5上，通过原子力显微镜的成像模式确定样品6所在位置，如图2所示，然后将原子力显微镜换成力谱模式，AFM探针3以20nm/s～100μm/s的速率逼近基底7，与基底7接触后，以1nN的下压力停留0.1s，使得AFM探针3与PEO分子接触形成桥连结构，之后扫描器11收缩，使得AFM探针3以20nm/s～100μm/s的速率远离基底7，带动PEO分子运动，使得PEO分子从晶体中解链。通过激光检测器12与扫描器11的参数得到力-距离曲线，从而获得聚氧乙烯单晶单链力致熔融解链的过程与机制。

图3为本发明实施例1的AFM探针在液相与气相环境以2μm/s的速率远离基底所得到的典型力-距离曲线；图4为本发明实施例1的AFM探针以0.02μm/s的速率和100μm/s的速率远离基底所得到的典型力致解链的力-距离曲线；图5为本发明实施例1的AFM探针在液相与气相环境以不同速率远离基底时所得力-距离曲线的力精度；图6和图7分别为在气相和液相环境中，AFM探针以不同的速率远离基底7得到的力-距离曲线。在图3～7中，逼近速率与远离速率相同。从图3～7可以看出，本发明的测试方法可以在气相环境中进行单分子力谱实验，并且对聚合物单个分子链的拉伸速度可以从几十纳米每秒到上百微米每秒之间进行调控，最快拉伸速率较液相提高一个数量级；气相单分子力谱获得的力-距离曲线的力精度为5皮牛，力精度与准确性好于液相所得力-距离曲线；且不同的微环境对解链所需要的力值与机制都有影响；本发明利用现有技术通过对装置进行简单改造就可以调控实验区域的微环境，提供多样的测试条件，操作十分方便。

实施例2聚苯乙烯凝聚态中单链运动的研究

样品6为通过旋涂的方法在羟基化硅基底制备聚苯乙烯(PS)超薄膜；AFM探针3的弹性系数为0.02N/m～0.7N/m；胶罩4的材料为氟橡胶；通入气体为氮气；相对湿度为11％～40％。

测试过程为：先然后将承载样品6的基底7放在载物台5上，将原子力显微镜调成力谱模式，通过扫描器11伸长带动AFM探针3运动，使得AFM探针3以2μm/s的速率逼近基底7，与基底7接触后，以10nN的下压力停留3s，使得AFM探针3与PS分子接触形成桥连结构，之后扫描器11收缩，使得AFM探针3以2μm/s的速率远离基底7，带动PS分子运动，使得PS分子从薄膜中解链。通过激光检测器与扫描器11的参数得到力-距离曲线，从而获得聚苯乙烯单链在无定形的薄膜中整个链运动的过程和受到的阻力。

图8为本发明实施例2的AFM探针将单个PS链从PS超薄膜拉出的典型力-距离曲线；图9为实施例2的AFM探针所得力-距离曲线上的粘附距离与AFM探针弹性系数的关系图；图10为实施例2的AFM探针在不同微环境下所得力-距离曲线上的粘附力与相对湿度的关系图。图8所得曲线是用弹性系数为0.2N/m的AFM探针在相对湿度为20％时所得；图9是在相对湿度为11％时进行的实验；图10是用弹性系数为0.2N/m的AFM探针进行的实验。从图8可以看出，本发明的测试方法可以在气相环境中进行单分子力谱实验；从图9可以看出，随着弹性系数的增加，粘附距离减小，有利于实验信号的获取，当AFM探针的弹性系数增加到200pN/nm时，粘附距离下降到50nm以下，对实验信号获取已经影响较小；从图10可以看出，随着湿度下降，粘附力下降，当相对湿度低于20％时，粘附力达到30nN以下，有利于实验信号的获取；从图8～10可以看出本发明利用现有技术通过对装置进行简单改造就可以调控实验区域的微环境，提供多样的测试条件，操作十分方便。

附图中作为对比的液相环境检测，是将氮气替换为十六烷作为单一变量，其他不变。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、将承载样品(6)的基底放在原子力显微镜的载物台(5)上；

步骤二、调节原子力显微镜的AFM探针(3)与样品(6)所处环境的相对湿度为20％以下；

步骤三、调节原子力显微镜处于力谱模式，控制原子力显微镜的扫描器(11)伸长，带动AFM探针(3)以20nm/s～100μm/s的恒定速率逼近基底(7)，当AFM探针(3)的针尖接触到基底(7)后，AFM探针(3)的针尖以1nN～10nN的恒定下压力在基底(7)上停留，停留过程中，AFM探针(3)的针尖与样品(6)接触形成桥连结构，之后控制扫描器(11)收缩，带动AFM探针(3)以20nm/s～100μm/s的恒定速率远离基底(7)或者给AFM探针施加一个恒定力使之远离基底(7)，扫描器(11)记录AFM探针(3)在运动方向的实时位置参数，激光检测器(12)检测AFM探针(3)的形变量并给出实时力值参数；

所述AFM探针(3)的弹性系数为0.2N/m以上；

步骤四、通过激光检测器(12)与扫描器(11)的参数得到力-距离曲线，从而获得聚合物分子在气相环境下的力学信号。

2.根据权利要求1所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，步骤三前，还包括，调节原子力显微镜处于成像模式，确定样品(6)所在位置。

3.根据权利要求1所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，还包括步骤五，判断得到的力学信号是否为单分子力学信号，如果是，停止测试，如果不是，重复步骤一～步骤四。

4.根据权利要求1所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述原子力显微镜包括扫描头(1)、石英支撑台(2)、AFM探针(3)、胶罩(4)和载物台(5)；扫描头(1)设置在载物台(5)的上方；石英支撑台(2)固定在扫描头(1)的扫描器(11)的底部；AFM探针(3)通过弹簧夹固定在石英支撑台(2)的底部，通过扫描器(11)的伸缩带动AFM探针(3)在垂直于载物台(5)的方向移动；胶罩(4)为漏斗形，两端均设有开口，小口端套在石英支撑台(2)的外壁下部，接触处密封，大口端与基底(7)密封接触，胶罩(4)、石英支撑台(2)和基底(7)形成一个闭合的腔体；

所述样品(6)置于闭合的腔体内，通过石英支撑台(2)内的孔道向腔体内通入排出气体以达到相对湿度要求。

5.根据权利要求4所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述胶罩(4)的材料为氟橡胶或硅胶胶圈。

6.根据权利要求1所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述扫描器(11)的最大移动距离为6μm。

7.根据权利要求4所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述气体为氮气。

8.根据权利要求1～7任何一项所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述样品(6)为通过稀溶液自晶种法得到的聚合物单晶、稀溶液旋涂而成的聚合物膜或者分散的聚合物链。

9.根据权利要求1～7任何一项所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，步骤三中，所述的停留时间为0.1s～3s。

10.根据权利要求1～7任何一项所述的在气相环境中进行单分子力谱测试的方法，其特征在于，所述AFM探针(3)的针尖材质为氮化硅，针尖表面未修饰或者修饰有氨基/羟基基团。