CN105842485B - 基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法 - Google Patents

基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法，包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元。双探针扫描配置单元包括电桥配置模块和扫描平台；核心控制单元包括信号采集模块、压电陶瓷控制模块、微电机控制模块、信号输出模块；上位机操作单元主要包括上位机操作界面以及上位机与FPGA芯片之间的串口通讯模块。本发明提出的基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜能够很好的克服离子电流漂移，提高了扫描图像的质量和稳定性。本发明可以在生理环境下对生物样品的表面三维形貌进行扫描成像，能够实现非接触、纳米级分辨率、稳定扫描。

Description

基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像 方法
技术领域
本发明属于扫描离子电导显微镜领域，涉及扫描离子电导显微镜探针的配置模式，具体涉及一种基于平衡电桥电路的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法。
背景技术
扫描离子电导显微镜(Scanning Ion Conductance Microscopy，SICM)是扫描探针显微镜家族中的新兴成员。由于其特殊的成像机理，能够在生理条件下实现对生物样本的非接触、纳米级分辨率扫描成像，因此SICM在活细胞的成像领域具有显著的优势。近几十年，SICM技术得到了快速的发展，并在生物、化学、材料等多个领域均得到了广泛应用。
1989年，Hansma研究团队首先提出并研制出SICM，此后Korchev研究团队在此基础上进行了改进，并于1997年第一次成功应用于活细胞高分辨成像。随着SICM成像技术的不断发展，研究者们先后提出了多种扫描模式，主要包括直流模式(Direct Current,DC)、交流模式(Alternate Current,AC)以及跳跃模式(Hopping modes)。早期的SICM采用的是DC扫描模式，以通过探针尖端的离子电流直接作为反馈信号，控制探针Z向运动以保持离子电流恒定，然后通过逐行扫描样本表面，从而获得样品的表面形貌。然而，在DC模式扫描过程中，离子电流不可避免受到溶液浓度、温度等因素的影响发生变化(称为离子电流漂移)，从而导致探针经常与样本表面发生接触或碰撞，导致探针堵塞甚至断裂。因此，SICM在DC模式下成像稳定性较差，很难实现对复杂表面样品的高分辨率成像。
为了克服DC模式的不足，研究者提出了一种距离调制的扫描模式，即AC模式。在AC模式下，探针扫描的同时，在Z方向上以一定的频率振动，一般振幅为几十纳米，同时使用锁相放大器检测离子电流的幅值作为控制反馈信号。AC模式克服了离子电流漂移的影响，提高了SICM扫描稳定性，但是探针振动频率限制了其扫描的速度，而且其不适合复杂表面形貌样品的成像。
为了实现SICM对复杂样品表面的高分辨率成像，研究者引入了跳跃扫描模式。在跳跃模式中，扫描探针从距离样品表面较远处，向下运动接近样品表面，当离子电流达到设定值后，控制探针远离样品表面；然后水平移动探针至下一探测位置，再向下运动接近样品表面，直至完成样品扫描。通过探针上下大幅度的跳动进行逐点探测，跳跃模式扫描能够避免与复杂样品表面发生碰撞，并能有效地对极其复杂的细胞表面进行纳米尺度下的高分辨率长时间无损观测。然而，跳跃模式不可避免的大幅度降低了SICM的扫描成像速度，而且其扫描过程仍然受到离子电流漂移的影响。
发明内容
本发明的目的在于更好的克服离子电流漂移，进一步提高SICM系统的综合性能，提供一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法。基于平衡电桥的双探针配置模式能够很好的克服SICM成像过程中离子电流漂移的影响，提高了SICM系统的成像能力和稳定性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，该扫描离子电导显微镜系统包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元，所述双探针扫描配置单元包括双探针配置模块和扫描平台；双探针配置模块包括电桥配置电路以及与电桥配置电路相连的扫描探针、参考探针、偏置电源和前置放大器，前置放大器、扫描平台以及上位机操作单元与核心控制单元相连；扫描探针运动过程中的电流反馈信号通过前置放大器引入至核心控制单元，所述电流反馈信号为基于电桥配置电路所形成的扫描探针和参考探针两支路电流的差异。
所述双探针配置模块包括两个开口半径相等或相近的超微探针以及设置于每个超微探针内的Ag/AgCl电极，以其中一个超微探针作为扫描探针，以另一个超微探针作为参考探针。
所述电桥配置电路包括固定电阻器R0、R0′和可调电阻器Ra、Ra′，其中，固定电阻器R0以及R0′的一端与偏置电源的一端相连，固定电阻器R0的另一端与可调电阻器Ra的一端相连，固定电阻器R0′的另一端与可调电阻器Ra′的一端相连，可调电阻器Ra的另一端与扫描探针的电极相连，可调电阻器Ra′的另一端与参考探针的电极相连，偏置电源的另一端连接有电极；前置放大器的一输入端连接于固定电阻器R0与可调电阻器Ra之间，前置放大器的另一输入端连接于固定电阻器R0′与可调电阻器Ra′之间，前置放大器的输出端与核心控制单元相连。
所述固定电阻器R0与R0′的电阻相等。
所述电桥配置电路还包括可调电容器Ca和Ca′，可调电容器Ca与固定电阻器R0并联，可调电容器Ca′与固定电阻器R0′并联。
所述扫描平台包括用于驱动所述扫描探针沿X、Y、Z三个方向运动的微电机和压电陶瓷，所述微电机以及压电陶瓷与核心控制单元相连。
所述核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将扫描探针运动过程中的电流反馈信号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块以及用于驱动压电陶瓷和微电机的驱动模块，FPGA控制芯片内设置有用于运算X、Y、Z三个方向压电陶瓷运动的控制量的压电陶瓷控制模块、用于运算X、Y、Z三个方向的微电机所需要的控制量的微电机控制模块以及用于将FPGA控制芯片运算的与各个控制量对应的信号传输至所述驱动模块的信号输出模块。
所述上位机操作单元包括上位机以及用于实现上位机与FPGA控制芯片之间数据传输的通讯模块。
基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统的成像方法，包括以下步骤：
1)将样品置于电解液中，然后利用扫描平台使扫描探针、参考探针以及与偏置电源连接的电极与电解液接触；
2)在利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描前，调节电桥配置电路至平衡状态；
3)保持参考探针在电解液中静止的同时利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描，通过前置放大器输出双探针配置下扫描探针Z向运动的电流反馈信号，核心控制单元根据所述电流反馈信号控制扫描探针Z向的运动，并由上位机操作单元记录扫描探针扫描过程中各探测点的相应的位置，从而实现扫描成像。
所述步骤2)具体包括以下步骤：通过改变电桥配置电路中的可调电阻以及可调电容使电桥达到平衡状态，即此时前置放大器反馈的电流信号为零。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提出的基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，采用一对超微探针，并设计相应的电桥配置电路以抵消扫描环境的变化对扫描探针的影响，从而能够很好的克服探针扫描过程中离子电流漂移等干扰的影响，进一步提高了扫描离子电导显微镜的成像性能。本发明可以在生理环境下对生物样品的表面三维形貌进行扫描成像，能够实现非接触、纳米级分辨率、稳定扫描。
相对与传统单探针配置的扫描离子电导显微镜，在采用以直流信号反馈的扫描模式下(如直流扫描模式、跳跃扫描模式等)，本发明采用双探针配置，能够实时的抑制扫描环境的微小变化(如温度、浓度等因素变化)对成像的影响，提高了扫描离子电导显微镜的抗干扰能力和扫描成像稳定性。
进一步的，本发明具有良好的人机交互性能，可通过上位机操作界面设定并发送扫描参数设定值；扫描过程中，上位机可实时显示反馈电流信号的变化曲线并逐行更新扫描的图像；系统扫描完成，可保存扫描配置和图像的相关数。
附图说明
图1为基于平衡电桥电路的双探针配置SICM系统示意图；
图2为基于平衡电桥电路的双探针配置示意图(a)及其等效电路图(b)；
图3为交流偏置电压源双探针配置等效电路图；
图4为直流偏置电压源双探针配置等效电路图；
图中：1为超微探针，2为Ag/AgCl电极，3为偏置电源，4为压电陶瓷，5为前置放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明基于平衡电桥的双探针配置SICM系统包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元，双探针扫描配置单元主要由双探针(扫描探针和参考探针)、扫描平台、电桥配置电路、前置放大器(即前置电流功率放大器)等组成，核心控制单元主要由16位AD和DA、FPGA控制芯片、驱动模块等组成，上位机操作单元主要由上位机等组成。通过设计电桥平衡电路，输出双探针配置下SICM系统的电流反馈信号，进而依靠反馈信号控制扫描探针Z向的运动，并记录下探针扫描过程中各探测点的相应位置，以实现SICM系统的非接触、高分辨率(纳米级)、稳定扫描成像。
所述扫描平台用于实现SICM系统扫描时样品的放置和固定，并为探针成像扫描提供一个可靠的平台，扫描平台是由X、Y、Z三个方向的微电机和压电陶瓷以及扫描托盘等组成，扫描托盘由两个方向的微电机和压电陶瓷驱动实现X、Y方向运动，探针由独立的微电机和压电陶瓷控制Z向运动，进而实现探针相对于扫描托盘的三维运动。
微电机以及压电陶瓷的驱动控制基于FPGA控制芯片上的控制算法(控制算法包括压电陶瓷控制模块以及微电机控制模块)，压电陶瓷控制模块通过运算获得X、Y、Z三个方向压电陶瓷运动的控制量，进而实现对扫描探针运动的精确控制；微电机控制模块实现对X、Y、Z三个方向的微电机独立控制，进而实现对探针扫描区域的粗略调整。
扫描探针Z向运动过程中的电流反馈信号由前置放大器5输出，采用16位的AD以实现探针运动过程中反馈信号的实时转换和采集，并送至FPGA控制芯片，经过FPGA控制芯片运算后由信号输出模块输出PWM信号，利用16位DA以及驱动模块(压电陶瓷驱动器以及微电机驱动器)实现控制信号的输出。
所述上位机的操作界面实现系统初始参数(如扫描模式、扫描速度、成像点数等)的设定、反馈信号实时显示、数据储存等功能；上位机与FPGA控制芯片的数据传输通过串口通讯模块实现，数据传输包括FPGA控制芯片从上位机获得SICM系统运行参数的设定信息以及上位机从FPGA控制芯片实时获得反馈信号数据。
本发明提供的基于平衡电桥的双探针配置模式主要由一对尖端开口半径相近的超微探针(理想状态为开口半径相等，但实际加工中，一对超微探针通常是由一根玻璃管从中间加热部分拉断而形成的，尖端具有开口，开口半径存微小差异)、Ag/AgCl电极和相应的电桥配置电路构成，用于实现双探针SICM系统的探针配置，并提供探针Z向运动的反馈电流信号，两个探针均可由对应的压电陶瓷4驱动实现Z向运动。
参见图2(a)，所述双探针配置模式具体由电桥配置电路、尖端开口半径相近的一对超微探针1、Ag/AgCl电极2(3个)、偏置电源3、前置放大器5以及基于FPGA的控制器(即核心控制单元)等组成。其中，一根超微探针内置一个Ag/AgCl电极，并作为扫描探针，用来扫描样本的表面获得其形貌特征信息；另一根超微探针内置另一个Ag/AgCl电极，并作为参考探针。参考探针与扫描探针处于同一培养皿电解液中，保证两探针受到溶液的浓度、温度等因素的影响相同。第三个Ag/AgCl电极置于所述电解液中，并与偏置电源一端连接，偏置电源另一端、参考探针以及扫描探针与电桥配置电路连接，通过设计电桥配置电路，进而在扫描探针成像扫描过程中，实时克服离子电流的漂移。
如图2(b)所示，双探针配置等价电路(忽略电解液电阻)主要由三个部分构成：扫描探针等价电路、参考探针等价电路和电桥配置电路。扫描探针等价电路主要由串联在一起的固定电阻器RP(等效探针的尖端电阻rP)和可调电阻器Rac(等效探针的接近电阻rac)与固定电容器CP(等效探针的尖端电容cp)并联构成；同理，参考探针等价电路应该由固定电阻器RP′(等效探针的尖端电阻rP′)、可调电阻器Rac′(等效探针的接近电阻rac′)和固定电容器CP′(等效探针的尖端电容cP′)构成，但是由于参考探针静置在样品培养皿中，而且距离样品表面较远，因此参考探针的rac′约为0，可以忽略。另外，电桥配置电路的设计是实现双探针模式下稳定扫描的重要组成部分，它主要由固定电阻器R0、R0′和可调电阻器Ra、Ra′构成，其中，固定电阻器R0的一端与偏置电源5连接，另一端与可调电阻器Ra的一端连接，固定电阻器R0′的一端与偏置电源5连接，另一端与可调电阻器Ra′的一端连接，Ra的另一端与扫描探针的Ag/AgCl电极连接，Ra′的另一端与参考探针的Ag/AgCl电极连接，前置放大器5的一输入端连接于固定电阻器R0与可调电阻器Ra之间，前置放大器5的另一输入端连接于固定电阻器R0′与可调电阻器Ra′之间，前置放大器5的输出端与16位AD相连。
电桥配置电路不仅用来克服探针扫描过程中离子电流的漂移，同时将扫描探针和参考探针两支路电流的差异ΔIion输出给前置放大器5，最终以ΔIion为扫描探针Z向运动的反馈信号，进而实现扫描探针Z向运动控制，具体说明如下。
在探针进入工作区扫描成像之前，要调节电桥配置电路至平衡状态，即通过前置放大器的电流为零。根据交流电桥平衡条件，可知电桥配置电路中的各阻抗要满足式(1)：
其中，j表示复数单位，j2＝-1，ω表示角频率，r0、r0′、ra、ra′分别为电阻器R0、R0′、Ra、Ra′的电阻；
为了简化电桥配置电路，不妨令r0＝r0′，化简式(1)可得该电桥配置电路平衡的条件如式(2)、(3)所示：
由式(2)、(3)可知，只有当电桥配置电路中电阻和电容均满足平衡条件时，通过前置放大器5(如图2(b)所示)的电流值才为零。
由上述可知，当使用交流偏置电源(AC)时，不仅需要调节电阻器Ra和Ra′的大小，同时还需要增加可调电容(参见图3，与R0并联的可调电容器Ca，以及与R0′并联的可调电容器Ca′)，以满足两支路电流的相位相同，因此需要调节电阻和电容大小，才能使电桥配置电路达到平衡状态；当使用直流偏置电源，则不需要考虑电容的影响，只需要满足式(2)，电桥即可达到平衡状态，即只需调节两支路的电阻阻值即可。
参见图4，直流偏置电压源双探针配置等效电路中I0为干路通过的总电流，I1、I2、I3和I4为各支路通过的电流，U0为直流偏置电源电压，Id为扫描探针尖端离子电流漂移值，Id’为参考探针尖端离子电流漂移值。由于参考探针和扫描探针处于相同的扫描环境中，而且参考探针和扫描探针开口大小大致相同，因此可以认为环境因素导致的离子电流漂移对参考探针和扫描探针的影响近似相同，即Id≈Id’。然后，根据基尔霍夫定律计算可以得到，通过前置放大器的电流ΔIion的表达式：
其中：RT为电桥配置电路达到平衡状态时(探针未进入工作区rac≈0)，探针支路的总电阻，即RT＝r0+ra+rP。
由式(4)可知，电桥配置电路调节平衡后，ΔIion的大小由扫描探针接近电阻rac决定。当探针远离工作区时，接近电阻rac≈0，则ΔIion＝0，此时电桥配置电路处于平衡状态；当探针逐渐接近样品时，接近电阻rac逐渐增大，导致ΔIion逐渐增大，即电桥配置电路失去平衡；当探针无限接近样品表面时，接近电阻rac趋向于+∞，则ΔIion≈U0/(2RT-r0)。因此，可以将信号ΔIion作为探针Z向运动的控制信号，通过设定合适的ΔIion阈值，以实现基于电桥的双探针配置SICM的非接触、稳定扫描。
同时由式(4)可知，通过利用参考探针和电桥配置电路，使得探针的反馈信号ΔIion与扫描探针和参考探针的离子漂移因素Id和Id’无关，只与电桥配置电路偏置电压和阻抗等有关，因此该双探针配置模式能够很好的克服离子电流漂移甚至扫描环境对扫描探针的影响。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：该扫描离子电导显微镜系统包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元，所述双探针扫描配置单元包括双探针配置模块和扫描平台；双探针配置模块包括电桥配置电路以及与电桥配置电路相连的扫描探针、参考探针、偏置电源(3)和前置放大器(5)，前置放大器(5)、扫描平台以及上位机操作单元与核心控制单元相连；扫描探针运动过程中的电流反馈信号通过前置放大器(5)引入至核心控制单元，所述电流反馈信号为基于电桥配置电路所形成的扫描探针和参考探针两支路电流的差异；
所述电桥配置电路包括固定电阻器R0、R0′和可调电阻器Ra、Ra′，其中，固定电阻器R0以及R0′的一端与偏置电源(3)的一端相连，固定电阻器R0的另一端与可调电阻器Ra的一端相连，固定电阻器R0′的另一端与可调电阻器Ra′的一端相连，可调电阻器Ra的另一端与扫描探针的电极相连，可调电阻器Ra′的另一端与参考探针的电极相连，偏置电源(3)的另一端连接有电极；前置放大器(5)的一输入端连接于固定电阻器R0与可调电阻器Ra之间，前置放大器(5)的另一输入端连接于固定电阻器R0′与可调电阻器Ra′之间，前置放大器(5)的输出端与核心控制单元相连。
2.根据权利要求1所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述双探针配置模块包括两个开口半径相等或相近的超微探针(1)以及设置于每个超微探针内的Ag/AgCl电极(2)，以其中一个超微探针作为扫描探针，以另一个超微探针作为参考探针。
3.根据权利要求1所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述固定电阻器R0与R0′的电阻相等。
4.根据权利要求1所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述电桥配置电路还包括可调电容器Ca和Ca′，可调电容器Ca与固定电阻器R0并联，可调电容器Ca′与固定电阻器R0′并联。
5.根据权利要求1所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述扫描平台包括用于驱动所述扫描探针沿X、Y、Z三个方向运动的微电机和压电陶瓷(4)，所述微电机以及压电陶瓷(4)与核心控制单元相连。
6.根据权利要求1所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将扫描探针运动过程中的电流反馈信号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块以及用于驱动压电陶瓷和微电机的驱动模块，FPGA控制芯片内设置有用于运算X、Y、Z三个方向压电陶瓷运动的控制量的压电陶瓷控制模块、用于运算X、Y、Z三个方向的微电机所需要的控制量的微电机控制模块以及用于将FPGA控制芯片运算的与各个控制量对应的信号传输至所述驱动模块的信号输出模块。
7.根据权利要求6所述一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：所述上位机操作单元包括上位机以及用于实现上位机与FPGA控制芯片之间数据传输的通讯模块。
8.一种如权利要求1所述基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将样品置于电解液中，然后利用扫描平台使扫描探针、参考探针以及与偏置电源(3)连接的电极与电解液接触；
2)在利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描前，调节电桥配置电路至平衡状态；
3)保持参考探针在电解液中静止的同时利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描，通过前置放大器(5)输出双探针配置下扫描探针Z向运动的电流反馈信号，核心控制单元根据所述电流反馈信号控制扫描探针Z向的运动，并由上位机操作单元记录扫描探针扫描过程中各探测点的相应的位置，从而实现扫描成像。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：通过改变电桥配置电路中的可调电阻以及可调电容使电桥达到平衡状态，即此时前置放大器(5)反馈的电流信号为零。
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