CN105301290A - 一种sicm的相位调制成像模式扫描装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，包括信号发生器、锁相放大器、膜片钳放大器、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷；所述信号发生器、膜片钳放大器、锁相放大器、控制器依次连接；所述信号发生器与锁相放大器连接，膜片钳放大器与探针连接；方法包括：信号发生器输出两路交流信号分别至锁相放大器、膜片钳放大器；调节膜片钳放大器的补偿电容值；锁相放大器提取电流分量，并将幅值反馈至控制器，控制器根据该幅值实时控制探针高度，实现样品的扫描。本发明仅提取某一频率下的交流分量作为反馈值，因此能克服直流模式下直流漂移、易受电气噪声影响等缺点；具有比传统交流模式更高的调制频率，因此可实现加快扫描的目的。

Description

一种SICM的相位调制成像模式扫描装置和方法

技术领域

本发明涉及一种新型的微纳米级别的快速高稳定性无损成像技术，具体地说是一种基于扫描离子电导显微镜(SICM)技术的新型成像模式-相位调制模式的扫描装置和方法。

背景技术

目前，扫描离子电导显微镜(scanningionconductancemicroscope:SICM)已经广泛应用于生物、化学、材料等多个领域，尤其在活细胞成像方面由于其独特的无损、非力接触等成像特点成为研究者的有力工具。SICM是扫描探针显微镜家族中的一员，但不同于其他扫描探针显微镜，其依靠流经超微玻璃管探针中的电流随探针样品间距离不同而变化，扫描时探针与样品能保持数十nm的距离，这时探针对样品无力的作用，样品不会发生形貌失真甚至损坏等现象，因此是一项真正无损、高保真的扫描技术，尤其适用对活细胞等柔软样品进行扫描。SICM采用尖端内半径为数十nm到数百nm的超微中空玻璃管作为扫描探针。两个Ag/Agcl电极一根作为参比电极，置于内装有电解质溶液的超微玻璃管探针中，另一端作为工作电极，置于含有电解质溶液的样品皿中，两个电极在外加偏置电压驱使下产生回路电流。当超微玻璃管探针靠近样品表面时(一般为玻璃管尖端内半径左右)，随着距离的靠近，由于容许离子流过的空间缩减，回路电流会急剧减少。依据这一距离/电流曲线关系，实时监测回路电流的变化量，并通过负反馈控制量上下调节玻璃管探针使电流维持在设定恒定值，此时探针的位置可用来表征样品在该点的高度。逐行对样品扫描则可得到整个样品的三维形貌图像。

现有SICM存在众多扫描方式。直流模式是出现最早也是最简单的控制方式，它利用直流电流作为反馈量来保证扫描过程中探针与样品的距离恒定。该模式扫描速度快，低于5分钟便可获得一幅图像，但该模式下实际工作中存在一些问题，如长时间工作时会出现直流漂移现象，以及易受电气噪声影响等。交流模式则能较好的解决上述问题，驱动探针在z方向高频小幅振动，从而产生交变电流信号，将与驱动信号同频的电流幅值作为反馈控制量。但交流模式振动频率受压电陶瓷性能限制，最快振动频率1～2kHz，影响了电流幅值的获取速度，从而降低了扫描速度。交流模式下扫描一幅图像时间为15～30分钟。跳跃模式特别适合扫描高度变化剧烈的样品，但同样存在扫描速度慢的缺点，一幅图像需15分钟以上。

发明内容

为了改善上述扫描速度慢及长时间工作时系统稳定差等不足，本发明提出了一种基于SICM系统的新型扫描成像模式-相位调制模式的扫描装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，包括信号发生器、锁相放大器、膜片钳放大器、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷；

所述信号发生器、膜片钳放大器、锁相放大器、控制器依次连接；所述信号发生器与锁相放大器连接，膜片钳放大器与探针连接；探针固定于Z向纳米压电陶瓷上并位于XY纳米平台上方；所述控制器与XY纳米平台、Z向纳米压电陶瓷连接。

所述信号发生器的两个输出端分别与锁相放大器的参考信号端、膜片钳放大器的外加电压端连接。

所述膜片钳放大器的电流输出端与锁相放大器的信号端连接。

一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

信号发生器输出两路交流信号，一路输入锁相放大器的参考信号端作为参考电压信号，另一路输入膜片钳放大器的外加电压端衰减10倍后作为驱动电压信号；

调节膜片钳放大器的补偿电容值，并增大驱动电压信号，将电流信号输出至锁相放大器；

锁相放大器根据参考电压信号从电流信号中提取电流分量，并将电流分量的幅值反馈至控制器，控制器根据该幅值来保持探针尖端距离样品表面的设定高度，然后控制XY纳米平台运动，实现样品的扫描。

所述两路交流信号同频率。

所述驱动电压信号频率为5～15kHz，幅值为10～100mV。

所述电容补偿值为1～10pF。

所述提取电流分量具体为：提取与驱动电压信号同相同频的电流分量。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明克服传统交流模式下扫描速度慢的缺点。由于电流的交流变化是由于施加交流电压引起的，其电流变化的频率可达15kHz，远超交流模式下的1-2Khz。提高驱动信号频率可以减少交流电流的幅值检测时间，进而减少控制系统反馈控制的响应时间，最终实现加快扫描速度的目的。

2、克服直流模式下易受电气噪声的缺点。由于仅仅利用某一频率下的交流分量幅值作为反馈量，能很好的克服其他频率下的电气噪声干扰，提高了系统的抗外源电气噪声能力。

3、克服直流模式下的直流漂移影响。由于相位调制模式下反馈控制量是某一高频频率下的交流信号分量，因此直流等低频量的改变不会影响反馈控制量。

4、克服原有各种模式中的电极损耗问题。原有扫描模式下长时间工作时负Ag/Agcl电极在一个方向的电流作用下会逐渐消耗掉，从而破坏了之前相对稳定的电极对，加剧了直流漂移现象，而新型模式下两电极间电流交替变化，不存在稳定的正负电极，因此能有效的保护电极。

5、较高的信噪比。由于电容通道电流(与驱动电压不同相的电流分量)在被测电流中占据主要地位，而被测电流幅值会受锁相放大器限制，因此交流电流中反馈量I_sol(与驱动电压同相同频的电流分量)信号较弱，因此有着较低的信噪比。而利用膜片钳放大器的电容补偿功能，在放大器内部增加了额外的注射电流来补偿并联电容通道流经的电流，降低了流经并联电容通道的电流分量占被测交流电流的比重，从而能够施加更大的驱动电压信号并依然能够保证放大后的被测电流信号低于锁相放大器的输入限制，这样反馈量幅值绝对值有所增大，而噪声保持不变，因此提高了系统的信噪比。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为本发明的探针处电路原理图一；

图2b为本发明的探针处等效电路原理图二；

图2c为本发明的探针处简化电路原理图三；

图3为本发明中电容补偿原理图；

图4为本发明相位调节模式下的扫描结果；

其中(a)为无电容时的扫描结果，(b)为5pF补偿后的扫描结果；

图5为本发明相位调节模式下的无电容补偿后跟5pF电容补偿后的同一位置下的I_sol误差信号的横切线比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明为SICM的新型扫描成像模式：SICM的扫描头位于倒置光学镜(IBE2000,重庆光电仪器公司)上，扫描头内包括三个方向的亚微米级别电动平台(9062-XYZ-PPP，NewFocus公司)，XY纳米平台(P517.3CD,PI公司),以及Z向纳米压电陶瓷驱动器(P-753.31C,PI公司).XY纳米平台可承载样品XY方向纳米级别运动，范围为100μm×100μm，而玻璃管探针随Z向压电陶瓷纳米级别上下运动。

如图1所示，信号发生器(AFG3022B,Tektronix公司)输出两路同频(15kHz)的交流信号，一路信号幅值500mV，施加到锁相放大器的参考信号端，另一路信号幅值200-1000mV施加到膜片钳放大器的外加电压端。膜片钳放大器设置为放大倍数1mV/pA，截止滤波为30kHz。膜片钳放大器(I_monitor输出端)输出的电流送给锁相放大器的信号端后，经锁相放大器检测并提取出驱动电压同相同频的电流分量，并将其幅值在X输出端输出。输出值作为反馈量，送给控制器上的采集卡(PCI-6251，NI公司)，控制器为运行实时化后Linux系统的电脑，控制器经过PID运算得到输出控制量，再经Z向压电陶瓷放大电路(E504,PI公司)来输出驱动Z向压电陶瓷运动。

图1为本发明的结构框图。膜片钳放大器接地端与浸入样品皿的电解质溶液中的Ag/Agcl电极(参比电极)相连，探头端则与位于灌注电解质溶液的玻璃管探针中的Ag/Agcl电极(工作电极)相连。信号发生器输出两路同频信号，一路接到锁相放大器的外接参考信号端，另一路施加到膜片钳放大器的外接电压端，衰减10倍后施加到两Ag/Agcl电极两端，两电极间流经的微弱电流经过膜片钳放大器放大后输出信号I_monitor给锁相放大器，锁相放大器提取并在X输出端输出与驱动电压同相同频的电流分量I_sol幅值，反馈控制系统以I_sol作为反馈量控制探针-样品间的距离。

图2为本发明的探针处电路模型。如图2a跟2b所示可知，探针管壁电容C_p与管内电阻R_p、与距离相关的针尖电阻R_t并联，并与管外电阻R_b串联，最后再与杂散电容C_stray并联。因为模型中R_b远远小于R_p，所以可忽略掉R_b，将模型简化为图2c中所示情况,由一个总的电阻R_sol与总的电容C_total并联组成，电阻R_sol包括R_p与R_t，而电容C_total包括C_p与C_stray。电流I_ac因此分为两部分，分为流经电阻通道电流I_sol与流经总电容的电流I_cap，I_sol与驱动电压U_ac同相而则I_cap超前U_ac90°。当探针与样品距离很近时，R_t随针尖样品间的距离减小而急剧增大，R_p保持不变，因此在固定驱动电压U_ac下，流经总电阻的电流I_sol跟探针样品间距离成反比，所以控制器则可以以I_sol作为反馈量来保持探针样品间距离恒定。而当探针样品间距离保持恒定后，探针沿着样品表面运动时，针尖行走的轨迹代表了样品的三维形貌。

图3为本发明中电容补偿原理图。图3中所示膜片钳放大器中电流I_ac经过I-V变换器输出放大后的监视电流I_monitor，放大倍数为电阻R_f，再送到锁相放大器信号端。而电容补偿功能下膜片钳放大器内部增加了电流通道，该通道由电容C_comp与运算放大器组成，流经C_comp的电流I_comp与电容通道电流I_cap相反，调节C_comp的值能不同程度的减弱电容通道电流I_cap对I_ac的比重。理想情况下能调节补偿电容量使得I_comp恰好等于I_cap，这时被测电流I_ac将完全反映了电阻通道电流I_sol的变化。此时再增大施加电压U_ac的幅值，将可增大I_sol的数值同时使I_ac放大后的I_monitor满足锁相放大器输入信号范围要求，因此能提高控制量I_sol信噪比。

图4为本发明所述相位调节模式下的扫描结果。扫描频率0.5Hz，反馈控制设置点为参考信号的94％.图4(a)与图4(b)分别为无电容补偿跟5pF电容补偿后的扫描结果，图4(a)无电容补偿时电流I_sol误差图,施加驱动电压幅值为20mV；(b)5pF电容补偿后电流I_sol误差图，施加驱动交流电压幅值为80mV。

图5为图4(a)与图4(b)中同一位置下的I_sol误差信号横切线比较。

施加交流电压作为激励信号，获取流经玻璃管探针中与电压同相同频的电流分量作为反馈量控制探针样品间的距离，最终实现对微纳米物体液体环境下的快速，长时间无损高分辨率观测。

具体步骤为：

①信号发生器输出两路同频的交流电压信号，一路输入锁相放大器的参考信号端，另一路输入膜片钳放大器的外置电压端。膜片钳放大器将外加的交流电压衰减10倍后施加到参比电极与工作电极间，两电极间会因此产生交流变化的电流信号I_ac，膜片钳放大器会通过I-V变换器放大电流信号I_ac，并输出放大后的信号I_monitor给锁相放大器的信号端。

②调节膜片钳放大器的补偿电容值，同时增大信号发生器输出电压U_ac幅值，同时保证I_monitor尚未达到锁相放大器的输入最大信号限制。

③锁相放大器检测与驱动交流电压信号同相同频的电流分量，提取出幅值量，将该幅值作为反馈量输送到控制器的输入端，控制器通过PID运算得到输出值，经过压电陶瓷功率放大电路放大来驱动承载探针的z向压电陶瓷上下运动，最终使反馈量达到某一设定值，此时z向压电陶瓷的位置表征了样品在该点的形貌高度，接着XY平台带着样品做二维平面内逐行运动，而探针沿着样品上方固定距离处起伏变化，记录下压电陶瓷的运动轨迹则能描绘出样品的完整三维形貌图像。

其中，所述施加到两电极端的电压信号为交流信号，频率为5～15kHz，幅值为10～100mV。

所述膜片钳放大器的电容补偿值为1～10pF。当增大电容补偿值时，锁相放大器相位显示值减小，当相位接近于0°时I_ac约等于I_sol，选取此时的电容补偿值为最佳。

所述交流电流信号输送到锁相放大器后，锁相放大器X输出端信号为跟驱动电压信号同相同频的电流分量的幅值，以此作为反馈量控制探针-样品间的距离。

实施例一

1.以宽5μm，深200nm的AFM标定用硅材料标准栅格(P/N498-000-026,DigitalInstruments公司)作为母模，正面朝上，倒入10:1的PDMS(Sylgard184，DowCorning公司)主剂与硬化剂搅拌均匀后的混合液；再抽真空20分钟，使得混合液无气泡；接着置于加热板(PC-600,Corning公司)上方70℃烘焙4-5小时；最后将固化后的PDMS层从硅材料标准栅格上撕下，此时贴近硅栅格的PDMS面将印记上与栅格互补的精细结构，如此得到PDMS材料栅格样品。

2.将PDMS样品有印记结构那面朝上，底面沾于Φ35mm培养皿中，利用微移液器将磷酸盐缓冲液(PBS)注入培养皿中，液面超过PDMS样品表面2mm为最佳；

3.玻璃管探针由硼硅酸盐微电极玻璃毛细管经过程控激光拉制仪(P2000/G，SutterInstrument公司)同一程序拉制完成，尖端内半径约为75nm，玻璃管探针内灌注PBS溶液，用手轻轻弹玻璃管的尾部几下，确保尖端无气泡，然后将Ag/Agcl电极插入其中，另一Ag/Agcl电极浸入培养皿中的电解质溶液中；

4.将信号发生器输出的两路同频的交流信号，频率为5～15kHz，一路接入锁相放大器的参考信号端，幅值为500mV，另一路接入膜片钳放大器的外置电压端，幅值为100-1000mV。而膜片钳放大器内部将外置交流电压衰减10倍后作为驱动电压信号，施加到两Ag/Agcl电极间，两电极间流经的电流经过放大后接入到锁相放大器的输入端，此时电流放大增益设置为0.1mV/pA,截止滤波设置为30kHz。将锁相放大器的X输出端信号作为闭环控制器的反馈量，用来控制探针-样品的距离；

5.借助倒置显微镜CCD调节电动平台，电动平台带着探针粗逼近样品，快接近时停止电动平台；

6.细逼近开始，具体过程为：压电陶瓷平台带着探针匀速以100nm/ms的速度逼近样品，并实时监视锁相放大器X输出端信号，直到监视信号下降到设置点(参考信号的94-98％)停止。当压电陶瓷平台运动到最大行程仍未检测到变化，则压电陶瓷平台回退至初始位置，然后电动平台下降约等于压电陶瓷行程的距离，再重复上述细逼近步骤。

7.此时探针与样品距离约为玻璃管内半径距离。电流放大器电容补偿值为0pF，施加给膜片钳放大器的交流电压幅值为200mV，此时驱动电压信号幅值为20mV，然后探针回退1μm左右，此时反馈量值更新为基准信号最新值。控制点设置为基准信号的94％，调节好PID参数，玻璃管探针逼近样品后，最终以0.5Hz的扫描速率扫描样品，扫描范围为30μm×30μm。扫描图像见图4(a)；

8.电流放大器电容补偿值为5pF，施加给膜片钳放大器的交流电压幅值为800mV，此时驱动电压信号幅值为80mV，探针距离样品较远(1μm左右)时更新基准信号值，控制点设置为基准信号的94％，调节好PID参数，玻璃管探针逼近样品后，以0.5Hz的扫描速率重新扫描样品，扫描范围仍为30μm×30μm。扫描图像见图4(b)。图5显示图4(a)与(b)同一位置的I_sol误差信号横切线比较，可以看出图4(b)信噪比要强于图4(a)，因此图4(b)图像质量更佳。

Claims (8)

1.一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，其特征在于：包括信号发生器、锁相放大器、膜片钳放大器、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷；

所述信号发生器、膜片钳放大器、锁相放大器、控制器依次连接；所述信号发生器与锁相放大器连接，膜片钳放大器与探针连接；探针固定于Z向纳米压电陶瓷上并位于XY纳米平台上方；所述控制器与XY纳米平台、Z向纳米压电陶瓷连接。

2.按权利要求1所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，其特征在于：所述信号发生器的两个输出端分别与锁相放大器的参考信号端、膜片钳放大器的外加电压端连接。

3.按权利要求1所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，其特征在于：所述膜片钳放大器的电流输出端与锁相放大器的信号端连接。

4.一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

信号发生器输出两路交流信号，一路输入锁相放大器的参考信号端作为参考电压信号，另一路输入膜片钳放大器的外加电压端衰减10倍后作为驱动电压信号；

调节膜片钳放大器的补偿电容值，并增大驱动电压信号，将电流信号输出至锁相放大器；

锁相放大器根据参考电压信号从电流信号中提取电流分量，并将电流分量的幅值反馈至控制器，控制器根据该幅值来保持探针尖端距离样品表面的设定高度，然后控制XY纳米平台运动，实现样品的扫描。

5.按权利要求4所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于所述两路交流信号同频率。

6.按权利要求4所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于所述驱动电压信号频率为5～15kHz，幅值为10～100mV。

7.按权利要求4所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于所述电容补偿值为1～10pF。

8.按权利要求4所述的一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于所述提取电流分量具体为：提取与驱动电压信号同相同频的电流分量。