分子手术与纳米治疗讲座之一

纳米生物学及其应用第一讲纳米与纳米科技什么是纳米和纳米科技纳米是分子的尺度社会发展与标志性空间尺度的变化纳米科技的诞生第一届国际纳米科技会议－纳米科技诞生的标志纳米材料与纳米科技纳米精神：“更小”什么是纳米和纳米科技纳米的两个含意：空间尺度的单位－纳米代表着一个新的科技时代思考问题的方式－向更小的世界进军纳米技术的三个特征：它们必须至少有一个维具有1纳米到100纳米的尺度它们的设计过程必须体现为关操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质。它们能够组合起来形成更大的结构且具有优异的电学，化学，机械与光学性能纳米是分子的尺度1905年4月30日爱因斯坦提交的博士论文中，设计了一种测量分子大小的方法，估计出一个糖分子的直径约为1nm，并证明了分子的存在。爱因斯坦怎么也想不到，他的这篇博士论文竟会是一个世纪后发展起来的纳米科技的一个源头社会发展与标志性空间尺度的变化纳米科技的诞生费曼的幻想点燃纳米科技之火Binnig与Rohrer发明了看得见电子的显微镜－扫描隧道显微镜STM当两个导电平板靠得很近，相隔小于1nm时，即是不接触，也会产生电流，称为隧道电流，这种隧道电流随着间距的减少而指数上升。这种现象就是量子力学中的隧道效应。把一个平板导体替换为一个很尖的导电针尖，再让这个针尖对另一个平板导体（样品）作二维扫描，同时记录下每个扫描电相应的隧道电流，这个电流是直接与表面高低起伏相关的，即与表面形貌相关，这样测量平板间隧道电流的实验装置就变成了观察表面形貌特征的显微镜－－扫描隧道显微镜STM。埃格勒(D.Eigler)实现了单原子的操纵第一届国际纳米科技会议－纳米科技诞生的标志在埃格勒博士操纵单原子的文章发表后的下一年，1990年在美国东海岸的巴尔的摩举行第二界国际STM会议的期间召开了第一届国际纳米科学技术（NanometerScaleScienceandTechnology）纳米材料与纳米科技纳米精神:”更小”第二讲纳米显微镜三代显微镜STM是如何工作的?原子力显微镜(AFM)扫描近场光学显微镜第一代为光学显微镜

19世纪30年代后期为施莱德(M．Schleide)和施曼(T．Schmann)所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微观察的工具。第二代为电子显微镜

20世纪30年代早期卢斯卡(E．Ruska)发明了电子显微镜，使人类能“看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。第三代为扫描探针显微镜1981年比尼格和罗勒尔发明了扫描隧道显微镜(STM),1985年比尼格应奎特(C.F.Quate)的邀请,去美国斯坦福大学作访问研究,在此期间,他们发明了具有原子分辨率,可适用于非导电样品的原子力显微镜(AFM).STM和AFM仪器构建了扫描探针显微镜（SPM）系列的主体STM工作原理补17页隧道效应原子、分子间的相互作用原子力显微镜（AFM）原子、分子间的相互作用力可以被用来观察物体表面的几何形貌。我们即以针尖与样品表面为例来探讨一下这类相互作用。基本上是两类相互作用，即短程的斥力(蓝紫色)和长程的吸引力(绿色)。在针尖与样品间距稍大(>R0)的情况下，以吸引力为主，包括范德瓦尔斯力、价键力、表面张力、万有引力、粘附力和摩擦力等。在间距远小于1纳米时，以斥力为主，有静电力、磁力.全天候的原子力显微镜（AFM）一个很尖的探针固定在一个很灵敏的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置，倘若用灵敏的方法能测量这个偏离量，则当探针扫描样品表面时即能获得原子级的表面形貌。一束激光聚焦后射至悬臂顶端，由于悬臂的偏离导致反射光的偏折，再用一对光二极管可灵敏的测量激光偏折的大小。PleaseaddFig.2.12inP21生物原子力显微镜（Bio-AFM）为了适合生物学研究，尤其是细胞研究，人们将倒置的光学显微镜与AFM结合为一体，这样既可以用倒置光显微镜对细胞、组织等生物样品进行大范围观察，又可以利用AFM对选定的感兴趣区域进行高分辨的AFM成像与操纵。扫描近场光学显微镜（SNOM）SNOM通过光纤端点的小孔将一极细的激光束对待测样品进行极近距离的扫描，然后测量其反射光或透射光来成像，它克服了光学显微镜由于光衍射导致的分辨率限制，是光学显微镜的分辨率达到几至几十纳米的水平。分子间相互作用力的精确测量－“皮牛顿力”的概念分子间的相互作用力分子间相互作用力的精确测量－“皮牛顿力”的概念小结分子间的相互作用力原子力显微镜实际上测量的就是微小的探针(纳米级大小)与表面的局域范围(可以小到一个原子或分子)的相互作用力，然后再通过一系列的对应关系将测得的力转化为表面的拓扑结构。正是原子力显微镜对力的超高灵敏性，保证了它对表面结构的超高分辨能力。描绘原子力显微镜的探针在趋近表面，然后离开表面时受到表面的作用力的洋细过程，我们称之为力曲线(见图5．15)。皮牛顿力的大小可以在力曲线上反映出来。如图6．1所示，原子力显微镜对分子之间相互作用力的高精度的测量一般是通过以下的步骤实现的：首先，原子力显微镜探针以相互作用的一方(如图6．2中的分子乙)修饰；接着，由原子力显微镜控制探针与表面的距离，探针接近、接触和分离时的力曲线由原子力显微镜记录；如果表面固定有相互作用的另一方(如图6．2中的分子甲)，原子力显微镜探测到的力曲线将与没有分子甲的力曲线有明显不同(见图6．2)。分子甲固定在表面上，分