CN104808329B - 一种光学显微镜系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学显微镜系统。该光学显微镜系统包括一光学显微镜以及一蒸气提供装置。该光学显微镜包括目镜、物镜、载物台、聚光照明系统、和调焦机构。该蒸气提供装置包括一导汽管，用于将蒸气直接输送至载物台上的样品上。由于蒸气可以在载物台上的样品的纳米结构表面形成液滴，从而可以使得光学显微镜直接观测到该具有纳米结构的样品形态。该光学显微镜系统具有效率高，成本低的优点,从而可以大大提高纳米结构的观测效率。
Description
技术领域
本发明属于纳米技术领域，涉及一种观测系统，尤其设置一种观测纳米结构的观测系统。
背景技术
纳米技术（英语：Nanotechnology）是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺度上，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类。美国国家纳米科技启动计划（National NanotechnologyInitiative）将其定义为“1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，因此可能可以有许多重要的应用，也可以制造许多有趣的材质。
现有技术中，对于各种纳米材料（如碳纳米管）的观测手段，通常采用原子力显微镜或扫描隧道显微镜。然而上述观测仪器结构复杂，而且操作并不十分容易，并且需要花费较长时间，成本较高。与原子力显微镜或扫描隧道显微镜相比，光学显微镜具有结构简单，价格低廉，以及易于操控的优点。然而，由于纳米材料的结构尺度非常小，如碳纳米管的直径通常小于可见光的波长，使得光学显微镜无法直接观测到纳米材料。因此，采用光学显微镜来观测纳米材料成为了本领域技术人员长久的期盼。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种光学显微镜系统，可以在不影响纳米材料的结构及形态的条件下，高效的观测该纳米材料。
一种光学显微镜系统，其特征在于，该光学显微镜系统包括一光学显微镜以及一蒸气提供装置，所述光学显微镜包括一物镜及载物台，所述蒸气提供装置包括一导汽管，该蒸气提供装置用于提供蒸气并通过该导汽管通至所述物镜及载物台之间。
与现有技术比较，本发明的光学显微镜系统及其观测方法，通过在被观测样品表面通入易挥发液体的蒸气，在被观测样品的纳米结构的表面形成大量的液滴，从而使得该纳米结构的轮廓清晰的被光学纤维镜捕捉到。形成的液滴又快速的挥发，从而使得被观测样品的结构不被破坏。并且通过光学显微镜快速观测到了样品的纳米结构，大大提高了观测效率，并降低了成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光学显微镜系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的光学显微镜系统的一种蒸气提供装置的分解示意图。
图3为本发明实施例提供的光学显微镜系统的另一种蒸气提供装置的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的光学显微镜系统的另一种蒸气提供装置的结构示意图。
图5为本发明另一实施例提供的光学显微镜系统的结构示意图。
图6为水平生长在基底表面的碳纳米管阵列的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的光学显微镜系统拍摄的水平生长的超长单壁碳纳米管的照片。
图8为图7中的水平生长的超长单壁碳纳米管的扫描电镜照片。
主要元件符号说明
| 光学显微镜系统 | 100，200 |
| 光学显微镜 | 10，30 |
| 载物台 | 110，310 |
| 物镜 | 120 |
| 目镜 | 130 |
| 图像采集系统 | 140 |
| 接收器 | 142 |
| 图像处理器 | 144 |
| 聚光照明系统 | 150 |
| 调焦机构 | 160 |
| 蒸气提供装置 | 20，40 |
| 鼓气部 | 210，410 |
| 鼓风机 | 412 |
| 第二导管 | 414 |
| 蒸气发生部 | 220，420 |
| 电极 | 221 |
| 液体吸收材料 | 222 |
| 进气口 | 423 |
| 空心管 | 224 |
| 出气口 | 425 |
| 加热层 | 226 |
| 多口瓶 | 427 |
| 进液口 | 428 |
| 第三导管 | 429 |
| 导汽管 | 230 |
| 第一开口 | 231 |
| 第二开口 | 235 |
| 第一导管 | 240 |
| 观测筒 | 320 |
| 支架 | 330 |
| 图像处理器 | 360 |
| 加热装置 | 426 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种光学显微镜系统100，其包括一光学显微镜10以及一蒸气提供装置20。该光学显微镜10可以为现有技术中的各种光学显微镜。该蒸气提供装置20用于提供蒸气。本实施例中，所述光学显微镜10包括一载物台110、一物镜120、一目镜130、一图像采集系统140、一聚光照明系统150、以及一调焦机构160。
所述载物台110用于承载被观察的物体。所述物镜120位于被观察物体附近，是实现第一级放大的镜头。在该光学显微镜10可以包括几个不同放大倍率的物镜120，通过一转动转换器可让不同倍率的物镜120进入工作光路，该物镜120的放大倍率通常为5～100倍。所述载物台110和物镜120两者能沿物镜120光轴方向作相对运动以实现调焦，获得清晰的图像。用高倍物镜工作时，容许的调焦范围往往小于微米，所以显微镜必须具备极为精密的调焦机构160。所述目镜130是位于人眼附近实现第二级放大的镜头，镜放大倍率通常为5～20倍。按照所能看到的视场大小，所述目镜130可分为视场较小的普通目镜，和视场较大的大视场目镜(或称广角目镜)两类。该图像采集系统140包括一接收器142以及一图像处理器144。所述接收器142可以为数码相机，用于拍摄观测到的样品。所述图像处理器144为计算机，可以包括显示器，从而在显示器上输出观测到的图像。所述调焦机构160具有调焦旋钮，从而可以驱动该调焦机构160，使载物台110作粗调和微调的升降运动，使被观察物体调焦清晰成象。聚光照明系统150由灯源和聚光镜构成，聚光镜的功能是使更多的光能集中到被观察的部位。照明灯的光谱特性必须与显微镜的接收器142的工作波段相适应。
请一并参见图2，所述蒸气提供装置20用于给所述光学显微镜10提供蒸气。该蒸气提供装置20包括一鼓气部210、一蒸气发生部220以及一导汽管230。该蒸气提供装置20的所述鼓气部210与所述蒸气发生部220的一端相互连接。所述蒸气发生部220的另一端与所述导汽管230连接。所述鼓气部210向所述蒸气发生部220通入气体，从而将蒸气发生部220产生的蒸气带入导汽管230中。工作时，所述导汽管230直接将蒸气通至所述光学显微镜10的载物台与物镜120之间的样品上。
所述鼓气部210可以为具有弹性的空囊，可以通过收缩将外界的空气吸入并排出。所述鼓气部210具有一个出气口，该出气口可以与所述蒸气发生部220密封连接，并可以使气体通过所述蒸气发生部220。当该鼓气部210被挤压收缩时，鼓气部210内的气体通过所述蒸气发生部220排出；当挤压后的鼓气部210恢复形状膨胀时，外界气体穿过蒸气发生部220进入该鼓气部210。本实施例中，所述鼓气部210为吸耳球，直径约5厘米。
所述蒸气发生部220包括一液体吸收材料222、一空心管224、一加热层226以及一电源228。所述液体吸收材料222设置在所述空心管224的内部，可以贴附在所述空心管224的内壁，但并不影响该空心管224的通气性能。所述加热层226环绕所述空心管224的外表面设置。所述电源228通过导线与所述加热层226电连接，从而给所述加热层226通电，使之发热来加热所述空心管224。
所述空心管224的材料不限，可为硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、石英等。所述柔性材料包括树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等。所述空心管224为柔性材料时，该蒸气发生部220在使用时可根据需要弯折成任意形状。所述空心管224的形状大小不限，其具有一空心结构即可，其具体可根据实际需要进行改变。该空心管224的横截面的形状亦不限，可以为圆形、弧形、长方形等。本实施例中，空心管224为一空心陶瓷管，其横截面为一圆形，该空心陶瓷管的直径为1厘米，长度为6厘米。
所述液体吸收材料222用于存储一定量的液体，当所述空心管224被加热时，热量传递到液体吸收材料222上时，液体变成蒸气，从而可以产生蒸气。所述液体吸收材料222应该具有较好的液体吸收性能，并且吸收液体后形变较小。所述液体吸收材料222的材料可以为棉布、无纺布及高级吸水性树脂。本实施例中，所述液体吸收材料222为无纺布，贴附在所述空心管224的内壁。
所述加热层226设置于所述空心管224的外表面，用于向所述空心管224的内部空间加热，从而可以加热所述液体吸收材料222。所述加热层226包括一碳纳米管层，该碳纳米管层本身具有一定的粘性，可以利用本身的粘性设置于所述空心管224的外表面，也可以通过粘结剂设置于所述空心管224的外表面。所述的粘结剂为硅胶。该碳纳米管层的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择。本技术方案提供的碳纳米管层的厚度为0.01微米~2毫米。可以理解，碳纳米管层的热响应速度与其厚度有关。在相同面积的情况下，碳纳米管层的厚度越大，热响应速度越慢；反之，碳纳米管层的厚度越小，热响应速度越快。
所述碳纳米管层包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管层中的碳纳米管有序排列或无序排列。该碳纳米管层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米~10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米~15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米~50纳米。所述碳纳米管的长度大于50微米。本实施例中，该碳纳米管的长度优选为200~900微米。由于该碳纳米管层中的碳纳米管之间通过范德华力连接，使得该碳纳米管层具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂，使该蒸气发生部220具有较长的使用寿命。
本实施例中，所述加热层226采用厚度为100微米的碳纳米管层。该碳纳米管层的长度为5厘米，碳纳米管层的宽度为3厘米。利用碳纳米管层本身的粘性，将该碳纳米管层设置于所述加热层226的外表面。
另外，蒸气发生部220可以进一步包括两个电极221间隔设置于所述加热层226表面，并与所述加热层226电连接。所述电极221由导电材料制成，形状不限，可为导电膜、金属片或者金属引线。优选地，所述电极221为一层导电膜，该导电膜的厚度为0.5纳米~100微米。该导电膜的材料可以为金属、合金、铟锡氧化物（ITO）、锑锡氧化物（ATO）、导电银胶、导电聚合物或导电性碳纳米管等。该金属或合金材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钕、钯、铯或其任意组合的合金。本实施例中，所述电极221的材料为金属钯膜，厚度为20纳米。所述金属钯与碳纳米管具有较好的润湿效果，有利于所述电极221与所述加热层226之间形成良好的电接触，减少欧姆接触电阻。
所述电源228可以为直流电源或者交流电源。通过导线与所述加热层226的两个电极221电连接，当给所述加热层226通电时，该加热层226可以辐射出波长较长的电磁波。通过温度测量仪测量发现该加热层226的加热层226表面的温度为50℃~500℃，从而可以加热设置在空心管224中的液体吸收材料222。该液体吸收材料222中的液体加热后蒸发，从而产生蒸气。本实施例中，该电源为1.5伏特的5号电池。
可以理解，所述蒸气发生部220可以进一步包括一绝缘保护层202。所述绝缘保护层202用来防止蒸气发生部220在使用时与外界形成电接触，同时还可以保护蒸气发生部220中的加热层226。所述绝缘保护层202设置于加热层226的外表面。可以理解，所述绝缘保护层202为一可选择结构。当加热层226本身带有绝缘保护层时，可无需绝缘保护层202。所述绝缘保护层202的材料为一绝缘材料，如：橡胶、树脂等。所述绝缘保护层202厚度不限，可以根据实际情况选择。优选地，该绝缘保护层的厚度为0.5~2毫米。
所述导汽管230具有一个第一开口231和一个第二开口235，所述第一开口231的直径小于所述第二开口235的直径。气体可以通过所述第一开口231和所述第二开口235在所述导汽管230内流通。该导汽管230的第二开口235与所述蒸气发生部220远离所述鼓气部210的一端密封连接。气体可以通过所述导汽管230及所述蒸气发生部220进入所述鼓气部210。该导汽管230的第二开口235的直径不限，只要和所述蒸气发生部220相互匹配并保证密封连通即可。该导汽管230的材料不限，可为硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、树脂、石英、塑料等。所述柔性材料包括树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等。本实施例中导汽管230为玻璃管，其第一开口231的截面为圆形，直径为0.4厘米，其第二开口235的截面为圆形，直径为0.9厘米。
可以理解，该蒸气提供装置20的所述鼓气部210、所述蒸气发生部220、以及所述导汽管230相互密闭连接成一个整体。当鼓气部210受到外界压力收缩时，鼓气部210内部的气体被挤压从而穿过蒸气发生部220及导汽管230，从导汽管230的第一开口231喷出。由于该蒸气提供装置20是密闭的，仅仅有第一开口231一个进气口，在整个过程中，气体只能通过导汽管230的第一开口231流出或者进入。
请参见图3，本发明实施例提供的光学显微镜系统100的蒸气提供装置20还可以进一步包括一第一导管240。该第一导管240设置于所述蒸气发生部220与所述鼓气部210之间，将所述蒸气发生部220与所述鼓气部210密封连通。该第一导管240的长度大于所述蒸气发生部的长度。该第一导管240的材料不限，可为硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、树脂、石英、塑料等。所述柔性材料包括树脂、橡胶、塑料或柔性纤维等。本实施例中，该第一导管240为橡胶材料制成，长度为50厘米，直径为1厘米。增加了第一导管240后，气流的稳定性可以得到增强，从而使得蒸气流可以更加稳定的通入待观测样品表面。
请参见图4，本发明另一实施例提供的光学显微镜系统100的蒸气提供装置40包括一鼓气部410、一蒸气发生部420以及一导汽管230。所述鼓气部410包括一鼓风机412以及一第二导管414。该第二导管414用于将鼓风机412的气体排出，并通入蒸气发生部420内部。所述蒸气提供装置40的蒸气发生部420包括一个多口瓶427以及一个第三导管429，该多口瓶427至少具有一个进气口423以及一个出气口425。所述第二导管414的一端与所述鼓风机412连通，另一端通过所述多口瓶427的进气口423插入所述多口瓶427中。所述第三导管429的一端与所述出气口425密封连通，所述第三导管429的另一端与所述导汽管430的第二开口435密封连通。使用时，该多口瓶427中收纳有液体，所述第二导管414插入液面以下。当气体由鼓风机412通过所述第二导管414通入所述多口瓶427中，在压力作用下，气体携带蒸气通过所述第三导管429进入所述导汽管430，然后通过该导汽管230的第一开口231通至所述载物台110上的样品表面。所述多口瓶427还可以包括一个进液口428，该进液口428用于向所述多口瓶427中注入液体。所述第二导管414、第三导管429的结构材料和第一导管240完全相同。可以理解，蒸气发生部420还可以包括一个加热装置426，用于给所述多口瓶427加热，从而可以获得大量的蒸气。在一个实施例中，所述加热装置426为酒精灯，用来给所述多口瓶427加热，从而产生蒸气。
请参阅图5，本发明另一实施例提供一种光学显微镜系统200包括一光学显微镜30及一蒸气提供装置20。该光学显微镜30包括一观测筒320、一图像处理器360、一支架330以及一载物台310。所述蒸气提供装置20的导汽管230、所述观测筒320以及所述图像处理器360固定于所述支架。所述观测筒320内部集成了目镜以及电荷耦合元件（CCD），该观测筒320通过目镜观测到的图像可以无线传输至所述图像处理器360，并通过图像处理器360的显示屏显示出来，或者存储在所述图像处理器360内部的存储卡内。本实施例中的光学显微镜30操作更为简单，并且价格低廉。可以理解，现有技术中的所有分体式的光学显微镜都可以作为本实施例中的光学显微镜30。
下面以本发明实施例提供的光学显微镜系统100为例，提供一种快速、高效并且低成本的观测纳米结构的方法。可以理解，该方法仅仅是以光学显微镜系统100举例说明，本发明的光学显微镜系统200同样适用。一种通过光学显微镜观测纳米结构的方法包括以下步骤：
S1，提供一待观测样品，该待观测样品具有纳米结构；
S2，将上述待观测样品放置在所述光学显微镜系统100的光学显微镜10的载物台110上；以及
S3，向所述待观测样品表面通入蒸气。
步骤S1中的待观测样品可以为具有纳米结构的材料，或者还可以为纳米图形化的电路。请参见图6，本实施例中，该待观测纳米材料为水平生长在基底600表面的单壁碳纳米管阵列60。多个水平生长的单壁碳纳米管610平行于基底600表面生长，并铺设在该基底600的表面。
步骤S2中的光学显微镜10类型不限于本发明实施例记载，现有技术中的各种光学显微镜都适用。上述待观测样品可以放置在载玻片上，然后放置在载物台110上，可以通过调节光学显微镜10的调焦机构160，使得光学显微镜10可以观测到载玻片待观测样品上的表面。由于待观测样品具有纳米结构，在未通蒸气时，该光学显微镜无法观测到待观测样品的纳米结构，仅仅可以观测到样品的表面为平面。
步骤S3中，当使用蒸气提供装置20时，可以先将所述导汽管230的第一开口231浸入液体中，然后通过挤压鼓气部210的方式，吸入少量的液体进入所述蒸气发生部220中，进入的液体被液体吸收材料222吸收。当所述蒸气发生部220的加热层226被施加电压时，该加热层226发热并加热所述液体吸收材料222，从而产生蒸气。然后，通过挤压鼓气部210的方式，将蒸气挤出，并通至载物台110表面的待观测样品表面。蒸气将在带观测样品表面形成大量的微小液体颗粒，与此同时该待观测样品的轮廓就被光学显微镜10观测到。在数秒之后，液体颗粒迅速蒸发，使得待测样品又和观测之前一样干净，因此不会影响待测样品的结构。产生蒸气的液体可以是水，也可以是沸点低于水的沸点的液体，如酒精。本实施例中，该产生蒸气的液体是水，产生的蒸气是水蒸气。
请参见图7，图7为通过上述方法拍摄的水平生长的单壁碳纳米管阵列60。通过图7可以清楚的看到，水平生长的单壁碳纳米管阵列60中，每根单壁碳纳米管610生长趋势。图8为上述水平生长的单壁碳纳米管阵列60的扫描电镜照片。通过对比图7和图8，可以清楚的看出，上述方法通过光学显微镜清楚的获得的水平生长的单壁碳纳米管阵列60中各个单壁碳纳米管610的位置关系，以及形态。并且，图7相对于图8更加清楚。因此，项对于现有技术，本发明提供的技术方案可以更加高效、简便、低成本的观测微观的纳米结构，并且还不会破坏样品的结构。
可以理解，步骤S3中，还可以进一步通过其他的方式提供蒸气。比如，在步骤S3中，可以将待测样品放置在低温热源上，从而使得待测样品的温度大大低于环境温度，在未通入水蒸气时，空气中的水蒸气会直接形成液滴附着在待测样品的纳米结构表面，从而使得光学显微镜可以观测到待测样品。还可以将待测样品放置在冰块上，在常温条件下，待测样品会快速降温，从而在遇到蒸气时可以迅速在待测样品表面形成液体颗粒，从而使得光学显微镜可以观测到待测样品的纳米结构。可以理解，只要将待测样品的温度降低都可以实现上述功能，还可以将待测样品放置在致冷材料上，给待测样品致冷。如，放置在半导体电热材料表面，再给半导体电热材料通电后降温。
与现有技术比较，本发明的光学显微镜系统及其观测方法，通过在被观测样品表面通入易挥发液体的蒸气，在被观测样品的纳米结构的表面形成大量的液滴，从而使得该纳米结构的轮廓清晰的被光学纤维镜捕捉到。形成的液滴又快速的挥发，从而使得被观测样品的结构不被破坏。并且通过光学显微镜快速观测到了样品的纳米结构，大大提高了观测效率，并降低了成本。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种光学显微镜系统，用于观测纳米结构，其特征在于，该光学显微镜系统包括一光学显微镜以及一蒸气提供装置，所述光学显微镜包括一物镜及载物台，所述蒸气提供装置用于提供蒸气至所述物镜及载物台之间；所述蒸气提供装置进一步包括一蒸气发生部和一鼓气部，该蒸气发生部包括一液体吸收材料、一空心管以及一加热层，所述液体吸收材料设置在所述空心管的内部，所述加热层直接与所述空心管的外表面接触，或者所述加热层通过粘结剂粘在所述空心管的外表面；所述鼓气部用于通过收缩将外界的空气吸入并排出。
2.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述鼓气部与所述蒸气发生部的一端相互连接，所述蒸气发生部的另一端与一导汽管连接，所述鼓气部向所述蒸气发生部通入气体，从而将蒸气发生部产生的蒸气带入导汽管中。
3.如权利要求2所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述鼓气部为具有弹性的空囊，并具有一个出气口，该出气口与所述蒸气发生部密封连接。
4.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述加热层环绕所述空心管的外表面设置。
5.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述液体吸收材料为棉布、无纺布或高级吸水性树脂。
6.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述空心管的材料为陶瓷、玻璃或石英。
7.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述蒸气发生部进一步包括一绝缘保护层设置在所述加热层的外表面。
8.如权利要求2所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述蒸气提供装置进一步包括一第一导管，该第一导管设置于所述蒸气发生部与所述鼓气部之间，将所述蒸气发生部与所述鼓气部密封连通。
9.如权利要求1所述的光学显微镜系统，其特征在于，所述光学显微镜进一步包括一目镜、一图像采集系统、一聚光照明系统以及一调焦机构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |