CN101430322B - 一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)利用扫描电镜对玻璃微探针进行观测获得扫描电镜照片；(2)通过玻璃微探针电阻计算公式估算出该玻璃微探针在充灌电极内电解液后的电阻值；(3)通过传统膜片钳技术来测量玻璃微探针电阻；(4)将由步骤(3)所说的膜片钳测得的玻璃微探针电阻与步骤(2)中通过扫描电镜观测再经计算公式估算的玻璃微探针电阻进行比较。其优越性在于：用传统的膜片钳电阻测量方法与扫描电镜技术相结合共同分析玻璃微探针性状的方法相比现有技术更加简便快捷，可直观、可靠、非破坏地判定纳米尺度玻璃微探针的性能及其拉制质量。
Description
(一)技术领域：
本发明属于纳米尺度结构探测用扫描探针显微镜技术领域，特别是指一种在电解液中非破坏评估纳米尺度玻璃微探针性状的简便方法，即一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法。
(二)背景技术：
1981年美国IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室，研制出了世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(scanning tunnellingmicroscopy，STM)，随后，在STM的操控原理与结构的基础上，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测纳米尺度下表面或界面性质的扫描探针显微镜技术(scanning probe microscopy，SPM)，带来纳米技术的迅猛发展，成为人类认识微观世界的有力工具。扫描探针显微镜技术的出现开辟了生命科学研究的新纪元并逐步发展成为在纳米尺度研究细胞结构与功能的一类新型的显微镜技术，并促进了纳米技术与生物技术相结合，并形成了一种新的多学科相互交叉的纳米生物医学。所以，纳米生物医学的产生与SPM的发展及其在生命科学中的应用密不可分。
微探针是SPM进行纳米量级测试的探测头和基础工具，它的性能的好坏对SPM的成像质量有着重要的影响。另外，不同的学科应用、不同的测量条件和加工对象对微探针的针尖半径、针尖纵横比等特性提出了不同的要求。因此，有必要在扫描探针显微镜测量以前对微探针的性能进行评价。为了提高扫描探针显微镜测量的分辨率，在负反馈控制信号稳定的前提下，探针制备时应尽量选择小曲率半径和小纵横比的微探针。
作为扫描探针显微镜家族中的新成员，扫描离子电导显微镜以其独特的非接触扫描方式成为了目前最适合于进行活体生物样本研究的一种先进的显微镜技术。扫描离子电导显微镜依靠负反馈电路和压电陶瓷控制玻璃微探针与样品表面间距离的恒定，通过记录玻璃微探针的扫描轨迹来绘制出样品的表面形貌。扫描离子电导显微镜中的探针是由玻璃微管拉制而成的纤细的玻璃微探针。玻璃微探针也称为玻璃微电极，由硅酸盐或石英玻璃微管拉制而成，扫描离子电导显微镜的分辨率与玻璃微探针尖端内径尺寸的数量级相同，要达到纳米尺度的分辨率，拉制出的玻璃微探针的内径尺寸应在同样的纳米尺度。由此可见，同其他扫描探针显微镜技术一样，玻璃微探针的纳米尺度与良好的几何形态将直接决定扫描离电导探针显微镜的分辨率和负反馈扫描控制的成败，急需有一种合适的方法来方便地评估纳米尺度玻璃微探针的性能与形态特征。
目前，对纳米尺度的玻璃微探针性状的评估只能采用扫描电镜技术来观测，在观测中由于玻璃的非导电性，为了提高电镜的分辨率需要对玻璃微探针进行喷金处理，不仅样品制备困难且造成玻璃微探针针孔的堵塞，而且经电镜观测后由于高压电子的轰击造成纳米尺度玻璃微探针微小针尖尖端的损毁，使其不能再被扫描离子电导显微镜进行高分辨率探测使用。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，它针对现有扫描电镜在纳米尺度的玻璃微探针性状的评估方法中的不足，提供一种与传统扫描电镜探测方法相结合的非损伤性纳米尺度玻璃微探针性能的简便评估方法。
本发明的技术方案：一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)利用扫描电镜对玻璃微探针的形状进行观测，获得高分辨率的玻璃微探针针尖的侧视和俯视扫描电镜照片；
(2)利用扫描电镜分析软件测量出玻璃微探针针尖的内半径ri及内壁半角θ，再通过玻璃微探针电阻计算公式
估算出该玻璃微探针在充灌电极内电解液后的电阻值，其中R探针代表玻璃微探针电阻，ξ代表充灌玻璃微探针内电解液的电导率，ri代表玻璃微探针针尖的内半径，θ代表玻璃微探针针尖的内壁半角；
(3)采用与上述玻璃微探针相同的拉制参数制备新的玻璃微探针，在新制备的玻璃微探针内充灌电极内电解液，并在玻璃微探针内放置电极，参比电极置于含相同电解液的器皿中，通过传统膜片钳技术来测量玻璃微探针电阻；
(4)将由步骤(3)所说的膜片钳测得的玻璃微探针电阻与步骤(2)中通过扫描电镜观测再经计算公式估算的玻璃微探针电阻进行比较：
若一致表明：经玻璃微探针电阻测量的玻璃微探针具备了纳米尺度玻璃微探针的曲率半径和纵横比的要求，则是合格的纳米尺度玻璃微探针；
若不一致表明：经玻璃微探针电阻测量的玻璃微探针不能满足纳米尺度玻璃微探针的曲率半径和纵横比的要求，则是不合格的玻璃微探针。
上述所说的玻璃微探针是由硼硅酸盐或石英微电极玻璃毛细管经微电极拉制仪拉制而成的纳米尺度玻璃微探针。
上述所说的步骤(3)中电极内电解液为0.15M KCl，或为满足Ag/AgCl电极工作条件需要的电解液。
上述所说的步骤(3)中在玻璃微探针内放置的电极和参比电极为Ag/AgCl电极。
上述所说的步骤(3)中的传统膜片钳技术为商用膜片钳技术，由膜片钳放大器及数据采集软件构成。
上述所说的步骤(4)中玻璃微探针的曲率半径即为针尖的内半径；玻璃微探针的纵横比即为针尖的内壁半角。
本发明的优越性在于：根据玻璃微探针的电阻值直接影响了流入探针针尖离子电流的强度，从而直接影响扫描离子电导显微镜的负反馈扫描控制的原理，用传统的膜片钳电阻测量方法与扫描电镜技术相结合共同分析玻璃微探针性状的方法相比现有技术更加简便快捷，可直观、可靠、非破坏地判定纳米尺度玻璃微探针的性能及其拉制质量。
(四)附图说明：
附图为本发明所涉一种评估非破坏性纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法中玻璃微探针的扫描电镜照片(其中，A为探针尖部俯视图；B为玻璃微探针尖部侧视图)。
(五)具体实施方式：
实施例：一种评估非破坏性纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)为了考察拉制出的玻璃微探针是否具有纳米尺度及良好的几何形状，我们首先采用扫描电镜观察拉制好的玻璃微探针的形状及尖端内半径和内壁半角等性状；扫描电镜下得到的玻璃微探针成像显示探针针尖形状对称，且探针尖端内半径为27nm(见附图A、B)，该玻璃微探针的内壁半角θ＝2.7°；
(2)已知探针尖端内半径和内壁半角，ξ为充灌玻璃微探针内电解液0.15M KCl的电导率也已知，采用R探针＝1/πξritanθ计算公式对探针电阻进行估算，得到该玻璃微探针的电阻约为130MΩ；
(3)固定上述玻璃微探针的拉制条件，并连续拉制多根具有相近针尖形状的玻璃微探针用于膜片钳电阻测量实验，将充灌电极内液(0.15M KCl)的玻璃微探针与商用美国Axon膜片钳Multiclamp 700B放大器相连，通过Clampex 10.2数据分析软件来测量探针电阻，得到的探针电阻值为137.6±24.7MΩ(n＝16)，且数值稳定；
(4)将用扫描电镜测得的玻璃微探针针尖形状数据所计算出的玻璃微探针的电阻值与膜片钳测得的玻璃微探针电阻进行比较分析，可以看出两种方法得到的玻璃微探针电阻数值基本一致，均良好地反映了纳米尺度玻璃微探针的性能。
Claims (4)
1.一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)利用扫描电镜对玻璃微探针的形状进行观测，获得高分辨率的玻璃微探针针尖的侧视和俯视扫描电镜照片；
(2)利用扫描电镜分析软件测量出玻璃微探针针尖的内半径ri及内壁半角θ，再通过玻璃微探针电阻计算公式
估算出该玻璃微探针在充灌电极内电解液后的电阻值，其中R探针代表玻璃微探针电阻，ξ代表充灌玻璃微探针内电解液的电导率，ri代表玻璃微探针针尖的内半径，θ代表玻璃微探针针尖的内壁半角；
(3)采用与上述玻璃微探针相同的拉制参数制备新的玻璃微探针，在新制备的玻璃微探针内充灌电极内电解液，并在玻璃微探针内放置电极，参比电极置于含相同电解液的器皿中，通过传统膜片钳技术来测量玻璃微探针电阻；
(4)将由步骤(3)所说的膜片钳测得的玻璃微探针电阻与步骤(2)中通过扫描电镜观测再经计算公式估算的玻璃微探针电阻进行比较：
若一致表明：经玻璃微探针电阻测量的玻璃微探针具备了纳米尺度玻璃微探针的曲率半径和纵横比的要求，则是合格的纳米尺度玻璃微探针；
若不一致表明：经玻璃微探针电阻测量的玻璃微探针不能满足纳米尺度玻璃微探针的曲率半径和纵横比的要求，则是不合格的玻璃微探针。
2.根据权利要求1所说的一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于所说的玻璃微探针是由硼硅酸盐或石英微电极玻璃毛细管经微电极拉制仪拉制而成的纳米尺度玻璃微探针。
3.根据权利要求1所说的一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于所说的步骤(3)中在玻璃微探针内放置的电极和参比电极为Ag/AgCl电极；电极内电解液为满足Ag/AgCl电极工作条件需要的电解液。
4.根据权利要求1所说的一种非破坏性评估纳米尺度玻璃微探针性能的工作方法，其特征在于所说的步骤(3)中的传统膜片钳技术为商用膜片钳技术，由膜片钳放大器及数据采集软件构成。
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