CN104586511A - 一种气液通用的磁力显微操纵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气液通用的磁力显微操纵系统及方法，系统包括磁性探针、气液隔离探针架、探针架夹持及水平调节架、激光器、光敏位置传感器、XYZ纳米及微米电控位移台及反馈控制器。气液隔离探针架在液相环境下工作时能够有效隔离空气和液体，保证工作环境为全液相；探针架夹持及水平调节架可实现对探针架的稳定夹持并实现对其水平度的调整；XYZ纳米、微米电控位移台及反馈控制器用于改变样品的位置实现样品形貌和磁力的成像。本发明可在气相环境和液相环境下对磁性样品进行形貌和磁畴分布的观测、分析及操纵，适用于各种生物材料及磁性材料。该系统结构简单，技术易于实现，可在生物医学与材料测试领域得到广泛应用。

Description

一种气液通用的磁力显微操纵系统及方法

技术领域

本发明涉及一种磁力显微镜系统，特别是一种于气相环境和液相环境下均适用的磁力显微成像操纵系统及方法，属于显微镜领域。

背景技术

磁力显微镜自90年代发明至今，已得到飞速发展，成为人们观测磁性样品磁畴结构的有力工具。磁力显微镜是基于原子力显微镜的二次成像技术发展而来，它的工作原理是采用轻敲模式对样品的同一位置进行两次扫描，第一次扫描通过原子间的相互作用力获得样品的形貌图像，第二次扫描是在第一次扫描的基础上抬起一定的高度，一般为10-200nm，通过探针悬臂的形变感知磁性探针和磁性样品之间的磁性相互作用力，进而获得样品的磁畴结构图。磁力显微镜的空间分辨率高且样品制备简单，能够在观测样品表面形貌的同时获得其磁畴结构。

磁性纳米粒子(Magnetic Nanoparticles,MNPs)自1970年应用于传输药物以来，并随着对癌症等重大疾病的诊断、治疗等研究工作的不断深入，磁性材料在生物医学领域的研究已经引起重视。Martins(2014)等应用特制的具有生物相容性的磁性纳米粒子诊断并治疗乳腺癌，Shen(2014)应用磁性纳米粒子研究了细胞内磁力对生物细胞结构的影响，Kirui(2013)等将磁性纳米粒子应用于结肠癌的激光辅助治疗及核磁共振成像中，Wang(2013)等应用带有绿色荧光蛋白的磁性纳米粒子检测血清中凝血酶的活性。

由于磁性纳米粒子等磁性药物的发展和在生物医学方面的潜在应用，磁力显微镜在生物医药领域的应用也得到关注。生理环境是生物医学领域中应用最多的研究环境，然而传统的磁性原子力显微镜并不适用于液相环境，因此目前与磁力相关的生物医学领域的研究工作受到许多限制，为了满足此需求发明了一种于气相环境和液相环境均可工作的磁力显微操纵系统。

发明内容

针对磁性材料在生物领域现有及潜在的应用需求，本发明提出的目的在于提供一种气液通用的磁力显微操纵系统，一是为了实现在气相和液相环境下实现对磁性样品的显微成像功能；二是为了实现在气相和液相环境下对样品进行所需操纵功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种气液通用的磁力显微操纵系统，其特征在于包括：磁性探针、气液隔离探针架、探针架夹持及水平调节架、激光器、反射镜、光敏位置传感器、XYZ纳米、微米电控位移台及反馈控制器；磁性探针安装在气液隔离探针架上，并被夹持在探针夹片与振动传导基片中间，振动传导基片用于传导压电片产生的振动信号，并隔绝液体对压电片的影响，压电片接受信号发生器产生的振荡信号，驱动磁性探针在共振频率附近工作；气液隔离探针架安装在探针架夹持及水平调节架上；激光器通过气液隔离探针架上的气液隔离片照射在磁性探针的背光基片表面，反射激光再通过气液隔离片反射到反射镜，最后到达光敏位置传感器，XYZ纳米及微米电控位移台根据激光的位置反馈调节运动，通过反馈控制器实现XYZ三个方向纳米及微米级的扫描，获得样品的形貌及磁畴结构分布。

所述气液隔离探针架的气液隔离片边缘设计有光路凹槽，增大了激光入射和反射角度的可调范围，保证激光光路在不同液体环境中实现正常的探测光传输。

所述激光器通过探针架上的气液隔离片以30°-50°可调角度照射在磁性探针的背光基片表面。

所述XYZ纳米及微米电控位移台由XYZ纳米电控位移台和XYZ微米电控位移台分别组成，精细调整和粗略调整可分别进行互不干扰。

一种气液通用的磁力显微操纵系统的操纵方法，通过以下步骤实现：

步骤一、将磁性样品放置在液体池中，加入一定量液体，将液体池放置在XYZ纳米电控位移台上方；

步骤二、将磁性探针安装在气液隔离探针架的夹片和振动传导基片之间；

步骤三、在气液隔离片上滴一滴液体，保证探针完全浸泡在液体中；

步骤四、将气液隔离探针架安装在探针架夹持及水平调节架上，通过卡槽并卡紧；

步骤五、调整旋钮实现气液隔离探针架的水平度调整；

步骤六、调整Z方向微米电控位移台使之升高，当气液隔离片上的液体与液体池中的液体粘合之后停止动作；

步骤七、通过光学显微镜观察样品，调整磁性探针到达相应位置；

步骤八、通过调整位移台和旋转台，调整激光器的入射位置和入射角度，使激光通过空气，再穿过探针架的气液隔离片到达液体中，照射在磁性探针的接近针尖位置的背光基片上；

步骤九、调整反射镜支架的位置，使激光反射到反射镜准确反射透过液体、穿过气液隔离片的激光；

步骤十、调整安装有光敏位置传感器的位移台，使光敏位置传感器准确接收反射的探测激光；

步骤十一、通过上位机设置信号发生器，使探针工作在共振频率附近；

步骤十二、设置扫描范围、扫描分辨率、扫描速度、参考点、积分增益、比例增益等扫描参数；

步骤十三、进针，开始扫描。

本发明与现有技术相比，具有以下显著进步和突出特点：本发明可以根据需要变换使用环境，在气相和液相环境下均可以得到样品的形貌图像和磁畴图像，并可以对磁性样品进行操纵，而且安装及操作简单，结构合理，实用性高，有助于磁性材料的发展及其在生物医学领域的应用。

附图说明

图1是本发明所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的工作原理框图；

图2是本发明所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的机械结构图；

图3是气液隔离探针架结构示意图，其中a图为探针架二等角轴测正面图，b图为探针架二等角轴测背面图；

图4是探针架夹持及水平调节架结构示意图；

图5是激光固定及调节结构示意图；

图6是光路传递示意图。

其中，1磁性探针，2气液隔离探针架，2-1探针架夹持，2-2探针架夹片，2-3振动传导基片，2-4压电片，2-5气液隔离片，2-6电路板，2-7探针架卡槽，2-8光路凹槽，3探针架夹持及水平调节架，3-1旋钮，3-2安装卡，3-3调节架卡槽，4激光器，4-1激光器夹持架，4-2和4-3微米手动位移台，4-4旋转台，5光敏位置传感器，6XYZ纳米电控位移台，7XYZ微米电控位移台，7-1X方向微米电控位移台，7-2Y方向微米电控位移台，7-3Z方向微米电控位移台，8液体池，9光学显微镜，10反射镜，11支架。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统，主要包括磁性探针1、气液隔离探针架2、探针架夹持及水平调节架3、激光器4、反射镜10、光敏位置传感器5、XYZ纳米位移台6及XYZ微米位移台7。所述磁性探针1安装在气液隔离探针架2上，信号发生器产生振动信号驱动探针振动，使其工作在共振频率附近，气液隔离探针架安装在探针架夹持及水平调节架3上，激光器4通过探针架上的气液隔离片照射在探针1的背光基片表面，反射激光再通过气液隔离片反射到反射镜10，再到达光敏位置传感器5，XYZ纳米及微米电控位移台6和7根据数据采集卡采集到激光的位置变化，通过控制器实现XYZ三个方向纳米和微米级的扫描，获得样品的形貌及磁畴结构分布。

本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统改进了现有探针架的结构，在液相环境下工作时，能够有效隔离气相环境与液相环境，使之在气相和液相环境下均可以工作。图3给出了改进后的可实现气液隔离的探针架结构示意图，2-1是探针架的夹持部分，2-2是探针架的夹片，用于固定探针，2-3是振动传导基片，起到传导振动及隔离压电片与液体的作用，2-4是压电片，振动信号驱动其振动使探针工作在轻敲模式下，2-5是透明气液隔离片，用于隔绝空气与液体并传导激光，2-6是电路板，用于将信号发生器产生的正弦信号送达压电片2-4，使之正常工作，2-7是卡槽，该卡槽可与探针架夹持及水平调节架3卡紧，保证该系统工作时探针架处于稳定状态。为保证激光光路的正常传输，气液隔离探针架2的隔离片边缘设计有光路凹槽2-8，增大了激光入射和反射角度的可调范围。

本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的探针架夹持及水平调节架3能够通过卡槽3-3稳定夹持气液隔离探针架2，并通过3个旋钮3-1对气液隔离探针架的水平进行调整，保证该系统工作在最佳的工作角度，3-2是安装卡，用于固定安装。

本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的激光固定及调节结构突破了传统磁力显微镜激光入射角度固定的缺点，可以实现激光器位置的最大范围改变，不仅可以实现XY方向的调整，还可以实现入射角度θ的调整。激光器4固定在图5的4-1支架上，4-2和4-3分别是X、Y方向的手动位移台，可以实现XY方向的位移调整，调整激光入射光束的位置，4-4是旋转台，用于调整激光入射角度，该气液通用的磁力显微操纵系统的激光入射角度可以在30°-50°范围内旋转可调，可适用于在不同液体环境下对磁性样品的形貌和磁畴结构成像操作。光敏位置传感器5安装在图2中的2维可调位移台上，该组件能够实现XY方向的调整，改变光敏位置传感器的位置，实现探测激光的准确接收。图6给出了光路传递示意图，其中θ₁＞θ₂＞θ₃。

本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的扫描器由图1中XYZ纳米电控位移台6和XYZ微米电控位移台7分别组成，粗略调整扫描和精细调整扫描分别进行互不干扰。图2机械结构图中XYZ微米电控位移台由X方向微米电控位移台7-1，Y方向微米电控位移台7-2，Z方向微米电控位移台7-3组成，分别负责X、Y和Z方向的微米级独立调整扫描。微米电控位移台上安装有纳米电控位移台6，该位移台可进行X、Y和Z方向的纳米级独立调整扫描，位移台上可放置液体池8或固态样品，直接进行扫描。

结合图1-图6说明本实施方式所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统的操纵方法，该方法通过以下步骤实现：

步骤一、将磁性样品放置在液体池8中，加入一定量液体，将液体池放置在XYZ纳米电控位移台6上方；

步骤二、将磁性探针1安装在气液隔离探针架2的夹片2-2和振动传导基片2-3之间；

步骤三、在气液隔离片2-5上滴一滴液体，保证磁性探针1完全浸泡在液体中；

步骤四、将气液隔离探针架2安装在探针架夹持及水平调节架3上，通过卡槽2-7和3-3卡紧；

步骤五、调整3个旋钮3-1实现探针架的水平度调整；

步骤六、调整Z方向微米电控位移台7-3使之升高，当气液隔离片上的液体与液体池中的液体粘合之后停止7-3的动作；

步骤七、通过光学显微镜9观察样品，调整探针到达相应位置；

步骤八、通过调整4-2、4-3位移台和4-4旋转台，调整激光器4的入射位置和入射角度，使激光通过空气，再穿过探针架的气液隔离片2-5到达液体中，照射在磁性探针1的接近针尖位置的背光基片上；

步骤九、调整反射镜支架的位置，使激光反射到反射镜10准确反射透过液体、穿过气液隔离片的激光；

步骤十、调整安装有光敏位置传感器5的位移台，使光敏位置传感器5准确接收反射的探测激光；

步骤十一、通过上位机设置信号发生器，使探针工作在共振频率附近；

步骤十二、设置扫描范围、扫描分辨率、扫描速度、参考点、积分增益、比例增益等扫描参数；

步骤十三、进针，开始扫描。

本实施方式所述气液通用的磁力显微操纵系统与传统的磁力显微镜相比，可以根据需要更换使用环境，在气相和液相环境下均可以得到样品的形貌图像和磁畴图像，在液相环境下能够通过气液隔离探针架有效隔离液体环境，保证工作环境为全液体。该系统改进了光路的入射角度和范围，可根据不同的液体环境调整不同的入射角度，实现在液相环境下对磁性样品进行扫描成像和操作。该磁力显微与操纵系统安装及操作简单，结构合理，实用性强，有助于磁性材料的发展及其在生物医学领域的应用。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种气液通用的磁力显微操纵系统，其特征在于包括：磁性探针、气液隔离探针架、探针架夹持及水平调节架、激光器、反射镜、光敏位置传感器、XYZ纳米、微米电控位移台及反馈控制器；磁性探针安装在气液隔离探针架上，并被夹持在探针夹片与振动传导基片中间，振动传导基片用于传导压电片产生的振动信号，并隔绝液体对压电片的影响，压电片接受信号发生器产生的振荡信号，驱动磁性探针在共振频率附近工作；气液隔离探针架安装在探针架夹持及水平调节架上；激光器通过气液隔离探针架上的气液隔离片照射在磁性探针的背光基片表面，反射激光再通过气液隔离片反射到反射镜，最后到达光敏位置传感器，XYZ纳米及微米电控位移台根据激光的位置反馈调节运动，通过反馈控制器实现XYZ三个方向纳米及微米级的扫描，获得样品的形貌及磁畴结构分布。

2.根据权利要求1所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统，其特征在于：所述气液隔离探针架的气液隔离片边缘设计有光路凹槽，增大了激光入射和反射角度的可调范围，保证激光光路在不同液体环境中实现正常的探测光传输。

3.根据权利要求1所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统，其特征在于：所述激光器通过探针架上的气液隔离片以30°-50°可调角度照射在磁性探针的背光基片表面。

4.根据权利要求1所述的一种气液通用的磁力显微操纵系统，其特征于：所述XYZ纳米及微米电控位移台由XYZ纳米电控位移台和XYZ微米电控位移台分别组成，精细调整和粗略调整可分别进行互不干扰。

5.一种气液通用的磁力显微操纵系统的操纵方法，其特征在于所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、将磁性样品放置在液体池中，加入一定量液体，将液体池放置在XYZ纳米电控位移台上方；

步骤二、将磁性探针安装在气液隔离探针架的夹片和振动传导基片之间；

步骤三、在气液隔离片上滴一滴液体，保证探针完全浸泡在液体中；

步骤四、将气液隔离探针架安装在探针架夹持及水平调节架上，通过卡槽并卡紧；

步骤五、调整旋钮实现气液隔离探针架的水平度调整；

步骤六、调整Z方向微米电控位移台使之升高，当气液隔离片上的液体与液体池中的液体粘合之后停止动作；

步骤七、通过光学显微镜观察样品，调整磁性探针到达相应位置；

步骤八、通过调整位移台和旋转台，调整激光器的入射位置和入射角度，使激光通过空气，再穿过探针架的气液隔离片到达液体中，照射在磁性探针的接近针尖位置的背光基片上；

步骤九、调整反射镜支架的位置，使激光反射到反射镜准确反射透过液体、穿过气液隔离片的激光；

步骤十、调整安装有光敏位置传感器的位移台，使光敏位置传感器准确接收反射的探测激光；

步骤十一、通过上位机设置信号发生器，使探针工作在共振频率附近；

步骤十二、设置扫描范围、扫描分辨率、扫描速度、参考点、积分增益、比例增益等扫描参数；

步骤十三、进针，开始扫描。