论文总字数：23344字

摘 要

关键词：纳米孔；AFM；离子电流；FIB

The influence of AFM probe on iron current through nanopore

02011408 Pinyao He

Supervised by Yunfei Chen

Abstract：This paper mainly focuses on the influence of AFM probe on iron current with the assistance of AFM and Patch clamp systems. The iron current under the impact of AFM probe with different voltage is discussed for further study, when the nanopore and the concentration of KCl are not changed. The paper contains mainly as follows: 1、Etching apparent markers and etching a 50nm-diameter nanopore on a Si3N4 chip by FIB technology. 2、Designing and fabricating suitable pool for AFM table. Choosing appropriate method to stick the chip on the pool, and making sure there is iron current through the channel. 3、Scanning the 50nm-diameter nanopore with AFM because of its high accuracy and observing the iron current through the nanopore by patch clamp system at the same time to investigate the impact of AFM probe on iron current. Here are the results: 1、The iron current begins to reduce when AFM probes is closed to the nanopore and reaches the minimum when AFM probe is on the center of nanopore where the block current is the maximum. 2、The block current is directly proportional to the voltage, which is about 70 percent of the unaffected iron current. The result of this paper have potential impact on creating nano fluidic electron devices. However, there are some defects in the experiment. There isn't iron current through nanopore after applying voltage on the pool for the most of nanopores, so our experiment could be refined.

Key words: nanopore; AFM; iron current; FIB

目录

1、绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 纳米孔离子通道的研究现状 1

1.2 STM与AFM 2

1.2.1 隧道效应 2

1.2.2 STM的工作原理 2

1.2.3 STM的优缺点 3

1.2.4 AFM 4

1.3 研究目的与内容 4

1.3.1 研究目的 4

1.3.2 研究内容 4

2、AFM技术 5

2.1 AFM基本原理 5

2.1.1 原子作用力 5

2.1.2 AFM的基本原理 5

2.1.3 AFM的工作模式及检测方法 6

3、FIB与膜片钳技术 9

3.1 FIB技术 9

3.1.1 FIB技术概述 9

3.1.2 FIB加工原理 9

3.2 膜片钳技术的原理 10

4、实验方法与实验过程 12

4.1 AFM实验台的搭建 12

4.1.1 液池的设计 12

4.1.2 膜片钳的固定 13

4.2 纳米孔的制备 13

4.2.1 定位纳米孔 13

4.2.2 FIB打孔 14

4.2.3 氮化硅片与液池的固定 14

4.2.4 液池表面的亲水性处理 15

4.3 AFM的实验操作 15

5、实验结果与分析 17

5.1 AFM扫描得到的图像 17

5.2 AFM扫描过程中的离子电流 18

5.2.1 扫描尺寸为5μm时的离子电流 18

5.2.2 扫描尺寸为2μm时的离子电流 20

5.2.3 扫描尺寸为2μm时不同电压下的离子电流 23

5.3 结论 27

致谢 27

参考文献 29

AFM探针对纳通道离子电流的影响

1、绪论

1.1 研究背景

1.1.1 纳米孔离子通道的研究现状

基于纳米孔的分析目前成为了在许多学科引起极大兴趣的领域，因为它有着令人难以置信的多功能应用的潜力。这些包括检测小分子，如离子，核苷酸，对映体和药物，以及较大的聚合物，如PEG，RNA，DNA和多肽。单孔检测是一种无标签的单分子识别方法，它只需要非常低的样品体积而不要求样品制备和扩增。该检测在有大量污染物存在的情况下仍可以进行且具有高灵敏度^[1]。

由于纳米孔和纳米管道的尺寸非常小，它们会表现出一些特别的特性。1997年，人们在纳米管道电极的实验中发现电流与电压呈非线性关系，并认为这是由管道尖端的石英表面的双电层导致的。扩散双层的厚度与管孔口的相对尺寸会对这种现象产生巨大的影响，只有当纳米管的尖口大小与扩散双层的厚度尺寸相当时，我们才能观察到电流与电压呈非线性关系。结果也表明当离子流过一个开口的纳米管时，溶液的pH值会改变流动的属性，因为pH值会对石英表面的双层结构产生影响^[2]。

2004年，研究人员在锥形聚合物纳米孔中沉淀了金纳米管，通过改变电解质或通过巯基化学吸附就可以改变纳米管壁的电荷和化学性质。人们把金纳米管膜放在两个电导池中间来连接两部分电导池，每一半电导池上都有一个Ag/AgCl电极，工作的Ag/AgCl电极放置在正对锥形纳米孔大孔的溶液中。当溶液是0.1 M的KF溶液时，电流-电压曲线是线性的；当溶液是0.1 M的KCl时，在绝对值相同的电压下，负的电势（开）的电流比正的电势（关）的电流要大。研究人员认为，当带有阴离子的表面电荷的纳米管的半径与管中双电层的厚度相当时，纳米管会优先与阳离子（钾离子）结合同时排斥阴离子。经过测定，管中钾离子的浓度要大于0.1 M。但是，在锥形纳米管中，只有在小口附近的区域半径与双电层的厚度相当^[3]。因此，会对阳离子产生一个静电陷阱，从而产生非线性的电流-电压曲线。

2009年，人们研究了锥形纳米孔的孔径对整流特性的影响^[4]。2011年，人们研究了纳米孔的几何形状对整流特性的影响^[5]。2012年，研究人员通过测定锥形纳米孔的表面电荷密度进一步阐明了锥形纳米孔的整流原理^[6]。

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