CN106770405A - 一种完全大气压下超光学衍射成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，包括扫描电子显微镜和光学扫描显微镜；电子枪产生聚焦电子束，自下而上发射并经物镜极靴进入真空腔体垂直照射到发光薄膜上的样品，聚焦电子束通过发光薄膜部分转换成纳米扫描光束，背散射电子接收器收集聚焦电子束与样品相互作用产生的背散射电子信号，二次电子接收器固定在样品台和物镜极靴之间，收集聚焦电子束与样品相互作用产生的二次电子信号，纳米扫描光束经发光薄膜的窗口照射样品，经样品出射的光被PMT光电倍增器接收；背散射电子接收器、二次电子接收器和PMT光电倍增器将接收的信号发送到计算机，分别获得样品的背散射电子扫描成像、二次电子扫描成像以及光学显微成像。

Description

一种完全大气压下超光学衍射成像装置
技术领域
本发明是关于一种电子束激发的光学显微镜和扫描电子显微镜在完全大气压下超光学衍射成像装置，涉及显微成像技术领域。
背景技术
在生物领域，对单个细胞、细胞膜以及生物单分子在生理环境下进行活体探测、动态测量和可视化研究，是细胞生物学的重要研究内容。通过在环境气氛下的高分辨率显微技术，可以对生物单分子活动进行研究，进一步进行干预与修饰，深入了解生命过程的机制。在纳米技术领域，纳米材料的原位生长、纳米粒子的相互作用以及纳米颗粒的动态变化，均需要在环境气氛中进行观测，是纳米科学的一个重要方向。因此，研发一种在完全大气压下超光学衍射成像装置能够实现在环境气氛下工作并实现高分辨率成像，对细胞生物、纳米材料等领域的研究具有十分重要的意义。
目前，光学显微镜(OM)能够满足在环境气氛下正常工作，但是由于光学衍射效应的限制，一般的光学显微镜其分辨率低于200纳米。虽然常规的扫描电子显微镜(SEM)有很高的空间分辨率，能达到几个纳米的分辨率。但是样品必须放在超高真空的环境中观察，不满足在环境气氛下对样品进行观察。基于上述现有技术的缺陷，目前还无法通过相关手段实现在环境气氛下，对观测样品包括液体和生物样品的超光学衍射高分辨观察。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种完全大气压下超光学衍射成像装置，能够使得光学显微成像的分辨率超过光学衍射极限，同时满足扫描电子显微镜在完全大气压下样品的观察。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种完全大气压下超光学衍射成像装置，包括扫描电子显微镜和光学扫描显微镜；所述扫描电子显微镜包括真空腔体，所述真空腔体的一侧固定设置所述物镜光阑和二次电子接收器，所述真空腔体的底部固定连接电子枪腔体，所述电子枪腔体顶部固定设置物镜极靴，所述物镜极靴上对称设置有背散射电子接收器；所述光学扫描显微镜包括样品台，所述样品台的底部开设有与所述真空腔体连通的通孔，对应所述通孔位置，所述样品台底部粘接发光薄膜，所述样品台上方设置PMT光电倍增器，所述样品台外侧还盖设PMT遮光罩，所述PMT光电倍增器与所述PMT遮光罩粘贴固定；所述电子枪产生聚焦电子束，自下而上发射并经所述物镜极靴进入所述真空腔体垂直照射到所述发光薄膜上的样品，聚焦电子束通过所述发光薄膜部分转换成纳米扫描光束，所述背散射电子接收器收集聚焦电子束与样品相互作用产生的背散射电子信号，所述二次电子接收器固定在所述样品台和物镜极靴之间，收集聚焦电子束与样品相互作用产生的二次电子信号，纳米扫描光束经所述发光薄膜的窗口照射样品，经样品出射的光被PMT光电倍增器接收；所述背散射电子接收器、二次电子接收器和PMT光电倍增器将接收的信号发送到计算机，分别获得样品的背散射电子扫描成像、二次电子扫描成像以及光学显微成像。
优选地，所述真空腔体的另一侧开设有真空差分接口和真空检测接口，所述真空差分接口用于连接机械泵和分子泵，所述真空检测接口用于连接真空规。
优选地，所述光学扫描显微镜还包括样品托、金属波纹管、XYZ三维微位移器和位移协调器，所述样品托位于所述真空腔体上方，所述样品托底部通过XYZ三维微位移器、金属波纹管和位移协调器与所述真空腔体连接，所述样品托顶部中心固定设置所述样品台。
优选地，所述样品托顶部开设有用于固定所述PMT遮光罩的凹槽。
优选地，所述样品台周向通过真空密封圈与所述样品托固定连接。
优选地，所述发光薄膜采用SiN薄膜，所述SiN薄膜上设置至少一个窗口。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的样品台通孔上粘接有发光薄膜，发光薄膜设置在电子束通路上，高分辨光学扫描显微镜可以通过发光薄膜隔离真空，扫描电子显微镜部分在高真空环境下工作，光学显微镜部分在大气压环境下工作，并将纳米扫描电子束斑转换为纳米扫描光斑，获得超过衍射极限的光学显微成像。2、本发明的样品台通过PMT遮光罩形成黑暗环境，有效避免了环境光线对光学显微成像的影响，有效收集电子束激发SiN薄膜产生的微弱荧光信号，进行光学成像。3、本发明的完全大气压扫描电子显微镜可以采用纳米电子束扫描环境气氛中的样品，接收样品产生的二次电子和背散射电子成像，实现了在大气压环境下样品观察。4、本发明结合了扫描电子显微镜和光学显微镜的特点，实现了在大气压环境下，对观测样品包括液体样品以及生物样品实时动态的高分辨率观察，光学显微像的分辨率超过光学衍射极限，二次电子扫描像和背散射电子扫描像分辨率可以在10nm以上，为细胞生物、纳米材料等领域的研究提供了新的思路。5、本发明的完全大气压扫描电子显微镜可获得多种衬度图像，较全面地反应样品不同深度的信息，二次电子像反应样品表面5～10nm的信息，背散射像反应样品表层几百纳米深度范围的信息，而光学像则是收集光束穿透样品产生的信号。综上，本发明结构简单，操作方便，可以广泛应用于液体以及生物样品的观察。
附图说明
图1为本发明的超光学衍射成像装置结构示意图；
图2为本发明的SiN薄膜结构示意图；
图3为图2的左视示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的完全大气压下超光学衍射成像装置，包括扫描电子显微镜和光学扫描显微镜。
扫描电子显微镜包括真空腔体1、物镜光阑2、二次电子接收器3和电子枪腔体4。真空腔体1的一侧固定设置物镜光阑2和二次电子接收器3，物镜光阑2用于约束电子束斑尺寸，使最终电子束斑尺寸在纳米级别，二次电子接收器3用于收集聚焦电子束与样品相互作用产生的二次电子信号。真空腔体1的另一侧开设有真空差分接口5和真空检测接口6，真空差分接口5用于连接机械泵和分子泵，使用时，扫描电子显微镜内需要保持高真空，先由机械泵抽至低真空后再由分子泵抽至高真空。真空检测接口6用于连接真空规，用于维持真空腔体1的高真空度在(1.5～2.5)×10-3Pa。真空腔体1的底部固定连接电子枪腔体4，电子枪腔体4顶部固定设置一物镜极靴7，物镜极靴7上对称设置有背散射电子接收器8，电子枪腔体4内还设置有电子枪9、双聚光镜10和物镜11，由于电子枪腔体4为现有结构具体内容不再赘述。
光学扫描显微镜包括样品托12、金属波纹管13、XYZ三维微位移器14、位移协调器15、样品台16、发光薄膜17、PMT光电倍增器18和PMT遮光罩19。样品托12位于真空腔体1的上方，且样品托12底部中间部分采用金属波纹管13，两侧采用XYZ三维微位移器14和位移协调器15与真空腔体1连接，且可以通过XYZ三维微位移器14和位移协调器15对样品托12的位置进行调整，样品托12顶部中心固定设置样品台16，样品台16的底部中心开设有与真空腔体1连通的通孔。对应通孔的位置，样品台16底部通过环氧树脂粘接发光薄膜17；样品台16上方设置PMT光电倍增器18，样品托12上嵌设固定一使得样品台产生密闭黑暗环境的PMT遮光罩19，PMT光电倍增器18通过填充物与PMT遮光罩19粘贴固定。
位于电子枪腔体4底部的电子枪9产生聚焦电子束，并依次通过内设置的双聚光镜10和物镜11自下而上发射并经电子枪腔体顶部的物镜极靴7的通孔进入真空腔体1垂直照射到发光薄膜17的样品，聚焦电子束通过发光薄膜17部分转换成纳米扫描光束，由于背散射电子接收器8对称地布置在电子束通路两侧的物镜极靴7上，用于收集聚焦电子束与样品相互作用产生的背散射电子信号；二次电子接收器3固定在样品台16和物镜极靴7之间，二次电子接收器3前端的栅网加正偏压，收集聚焦电子束与样品相互作用产生的二次电子信号。纳米扫描光束经发光薄膜17的窗口照射样品，经样品出射的光被PMT光电倍增器18接收；背散射电子接收器8、二次电子接收器3和PMT光电倍增器18将接收的信号经现有的电子学系统处理后发送到计算机进行显示和存储，分别获得样品的背散射电子扫描成像、二次电子扫描成像以及光学显微成像。
在一个优选的实施例中，样品台16的周向通过真空密封圈20与样品托12固定连接。
在一个优选的实施例中，如图2～3所示，发光薄膜17可以采用SiN薄膜，为了增强强度，SiN薄膜可以附着在硅基上，SiN薄膜固定设置在电子束通路上，用于隔绝真空并将电子束转换为光束。SiN薄膜上设置至少一个窗口，窗口厚度一般在10～200nm之间，可以根据聚焦电子束散射以及透射电子束对样品的损伤程度确定，本发明实施例中SiN薄膜的外框为3mm×3mm，窗口尺寸为0.1mm×0.1mm，窗口厚度为50nm。
在一个优选的实施例中，PMT光电倍增器18固定设置在距离样品台16正上方2～5mm处，高度可以根据需要进行调节。
在一个优选的实施例中，样品托12顶部开设有用于固定PMT遮光罩19的凹槽。
在一个优选的实施例中，光学显微成像可以是PMT光电倍增器18收集无荧光样品吸收SiN薄膜窗口荧光后产生的“白底黑像”，也可以是收集荧光样品产生的荧光形成的“黑底白像”。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，包括扫描电子显微镜和光学扫描显微镜；
所述扫描电子显微镜包括真空腔体，所述真空腔体的一侧固定设置所述物镜光阑和二次电子接收器，所述真空腔体的底部固定连接电子枪腔体，所述电子枪腔体顶部固定设置物镜极靴，所述物镜极靴上对称设置有背散射电子接收器；
所述光学扫描显微镜包括样品台，所述样品台的底部开设有与所述真空腔体连通的通孔，对应所述通孔位置，所述样品台底部粘接发光薄膜，所述样品台上方设置PMT光电倍增器，所述样品台外侧还盖设PMT遮光罩，所述PMT光电倍增器与所述PMT遮光罩粘贴固定；
所述电子枪产生聚焦电子束，自下而上发射并经所述物镜极靴进入所述真空腔体垂直照射到所述发光薄膜上的样品，聚焦电子束通过所述发光薄膜部分转换成纳米扫描光束，所述背散射电子接收器收集聚焦电子束与样品相互作用产生的背散射电子信号，所述二次电子接收器固定在所述样品台和物镜极靴之间，收集聚焦电子束与样品相互作用产生的二次电子信号，纳米扫描光束经所述发光薄膜的窗口照射样品，经样品出射的光被PMT光电倍增器接收；所述背散射电子接收器、二次电子接收器和PMT光电倍增器将接收的信号发送到计算机，分别获得样品的背散射电子扫描成像、二次电子扫描成像以及光学显微成像。
2.如权利要求1所述的一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，所述真空腔体的另一侧开设有真空差分接口和真空检测接口，所述真空差分接口用于连接机械泵和分子泵，所述真空检测接口用于连接真空规。
3.如权利要求1或2所述的一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，所述光学扫描显微镜还包括样品托、金属波纹管、XYZ三维微位移器和位移协调器，所述样品托位于所述真空腔体上方，所述样品托底部通过XYZ三维微位移器、金属波纹管和位移协调器与所述真空腔体连接，所述样品托顶部中心固定设置所述样品台。
4.如权利要求3所述的一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，所述样品托顶部开设有用于固定所述PMT遮光罩的凹槽。
5.如权利要求1所述的一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，所述样品台周向通过真空密封圈与所述样品托固定连接。
6.如权利要求1或2或4或5所述的一种完全大气压下超光学衍射成像装置，其特征在于，所述发光薄膜采用SiN薄膜，所述SiN薄膜上设置至少一个窗口。
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