CN109116054B - 一种用于原子力显微镜液下测量的激光调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原子力显微镜液下测量的激光调节方法。本发明利用液体的毛细力在液面和夹持器之间形成的液桥，使反射光在探针和夹持器间传播的介质仅为液体，反射光路稳定；利用毛细力形成的液桥没有气泡等不稳定相，不会影响反射光路，在毛细力作用下形成液桥能在1秒内完成，大大缩短了激光调节的时间，而且采用本发明，使检测样品不必暴露的气体中，能用来测量细胞、细菌等活体微生物。本发明使原子显微镜液下测量时激光调节方法更加方便、简单和可靠，对原子力显微镜液相模式下激光的快速、可靠调节具有重要意义。

Description

一种用于原子力显微镜液下测量的激光调节方法

技术领域

本发明涉及原子力显微镜应用技术领域，具体涉及一种用于原子力显微镜液下测量的激光调节方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种通过检测样品表面和探针之间极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质的仪器。检测过程中，将探针悬臂一端固定，饰有纳米尺度针尖的另一端接近样品，悬臂受针尖与样品间作用力的影响而发生形变或改变运动状态。系统利用激光的“光杠杆”效应将悬臂的形变量或运动状态变化量放大，并经四象限光电检测器检测后送至反馈系统。原子力显微镜具有多种成像模式和检测模式，不仅可以提供样品的形貌信息，还可以探测样品表面的电学、磁学及摩擦学等方面的信息。与光学显微镜(包括扫描电镜)不同，原子力显微镜因其实质是探测力的变化，可在气体、液体和真空中实现测量。原子力显微镜能在液体中实现样品测量，为固液界面性质、微生物生长及电化学过程等研究提供了重要平台。因此，原子力显微镜的液下测量功能应用前景广泛。

与气相工作模式类似，应用原子力显微镜液下测量时，首先需要将探针顺利下到样品表面，而当探针刚刚浸入液体时，激光光路在液体中会因折射而改变，激光的反射光路可能会超出光电检测器的范围，使得SUM值降为0，系统撞针保护启动，从而阻止探针进一步向下移动。为了解决以上问题，目前通常有以下两种激光调节方法来补偿光路因折射而改变的量：

第一种方法是先在空气环境中调好激光并下针至样品表面附近，再滴加液体浸没样品和探针，最后向针尖方向微调激光至SUM最大。该方法的缺点是样品在测量前一段时间会暴露在空气中；

另一种方法是在空气环境中调好激光后，在针尖处滴加一滴液体并微调激光至SUM值最大，下针过程中让该液滴一直挂在针尖处，直至液滴与下方的液体融合。该方法对测量人员的经验要求较高，滴加的液滴在下针过程中也容易脱落；此外，当液滴较小不能填充满探针与夹持器空间，会使激光光路出现多次反射折射，给激光调节带来较大的麻烦。

发明内容

为了解决现有原子力显微镜液下测量时液体对激光光路影响问题，本发明提供了一种原子力显微镜液下测量的激光调节方法，该方法使液相模式下的激光调节方法更加方便、简单和可靠，解决了原有调节方法中样品会暴露气体中、液滴易脱落、液滴不能填充满探针与夹持器空间等问题，对原子力显微镜液下测量时激光的快速、可靠调节具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种原子力显微镜液下测量的激光调节方法，包括下列步骤：

(1)在大气环境下，调节原子力显微镜的图像传感器CCD的位置，直至在CCD图像界面观察到清晰的探针实像；用“阴影法”调节入射激光的位置，使其光斑照在悬臂前端；调节四象限光电检测器位置，使入射激光反射到四象限光电检测器上的激光强度最大，即原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，调节四象限光电检测器使反射激光照在四象限光电检测器的中心；

(2)向下移动探针至针尖浸入液面，探针与夹持器间的空间有部分液体和气体，激光反射光路因在液体中折射而改变，反射光超出四象限光电检测器的检测范围，SUM值变为0，系统撞针保护开启，不能继续向下移动探针；

(3)向探针和液面间缓慢滴加液体，液体在毛细力作用下会向上运动至夹持器下表面，继续滴加液体直至液体在毛细力作用下填满夹持器整个下表面，从而在液面和夹持器之间形成液桥；液桥形成后，探针与夹持器间的空间被液体填满，反射光在探针与夹持器间传播介质变为纯液相，因此反射光路不会再因探针浸入液体的深度的而改变；液桥的形成补偿了激光反射光路的变化。

(4)向探针针尖方向微调入射激光至原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，并调节四象限光电检测器，使反射激光再次照在四象限光电检测器中心；

(5)因光在液体中折射，之前调节好的探针实像会变模糊，再次调CCD至探针清晰实像；

(6)使探针以不高于全速的20％向上移动一步，解除撞针保护，并将探针的移动速度调回正常值；速度不高于20％的目的是防止液桥因速度太大被破坏。

(7)继续向下移动探针至液体内待测样品表面附近，如果是透明样品，使CCD聚焦至探针在样品表面形成的倒影，如果是非透明样品，使CCD聚焦至样品表面；

(8)将扫描范围scan size设为0nm，进针开始液下测量。

进一步地，所述的向探针和液面间缓慢滴加液体，液体在毛细力作用下会向上运动至夹持器下表面，继续滴加液体直至液体在毛细力作用下填满夹持器整个下表面，从而在液面和夹持器之间形成液桥，原子力显微镜下直视即能观察到夹持器底部和液面间有弧形液桥。

进一步地，所述的原子力显微镜下直视即能观察到夹持器底部和液面间有弧形液桥，弧形液桥覆盖整个夹持器下表面。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

利用液体的毛细力在液面和夹持器之间形成的液桥，使反射光在探针和夹持器间传播的介质仅为液体，反射光路稳定；利用毛细力形成的液桥没有气泡等不稳定相，不会影响反射光路；在毛细力作用下形成液桥能在1秒内完成，大大缩短了激光调节的时间；而且采用本发明，使检测样品不必暴露的气体中，能用来测量细胞、细菌等活体微生物。本发明使原子显微镜液下测量时激光调节方法更加方便、简单和可靠，对原子力显微镜液相模式下激光的快速、可靠调节具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中原子力显微镜的探针接触液体前的激光光路示意图；

图2是本发明实施例1中原子力显微镜的探针浸没入液体液面后的激光光路示意图；

图3是本发明实施例1中原子力显微镜的探针通过液桥向液下待测样品移动过程中的激光光路示意图；

图4是本发明实施例1中原子力显微镜的探针完全浸没入液体至待测样品表面时的激光光路示意图；

图5是本发明实施例1中在液面和探针夹持器底面间形成液桥之前的和形成液桥之后的实物图，a是在液面和探针夹持器底面间形成液桥之前，b是在液面和探针夹持器底面间形成液桥之后；

图6是本发明实施例1中液下扫描的PDMS形貌图；

图7是本发明实施例1中获取的胶体探针与PDMS样品在纯水中的力-距离曲线

图中：1、激光发射器，2、夹持器下表面，3、探针，4、液面，5、待测样品，6、四象限光电检测器，7、液桥。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

下面以利用Bruker公司的Icon原子力显微镜测量PDMS-超纯水界面电荷为例，结合附图对本发明作进一步说明。

(1)在大气环境下，通过set up界面调节原子力显微镜的CCD的位置，直至在CCD图像界面观察到清晰的探针实像；用“阴影法”调节入射激光的位置，使其光斑照在悬臂前端；调节Vert.Defl.和Hori.Defl.旋钮，即通过调节四象限光电检测器水平和竖直方向位置，使入射激光反射到四象限光电检测器上的激光强度最大，即原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，调节四象限光电检测器使反射激光照在四象限光电检测器的中心，如图1所示；

(2)在软件navigate界面向下移动探针至针尖浸入液面，入射激光在探针和夹持器间的传播介质由空气改变为上部空气、下部液体，激光反射光将在气液界面发生折射，使反射光斑超出四象限检测器的检测范围，如图2所示，图5(a)为实物图，SUM值变为0，系统撞针保护开启，不能继续向下移动探针；

(3)利用1000μL移液枪从侧面向探针和液面接触处滴加液体，液体在毛细力作用下会向上运动至夹持器下表面，继续滴加液体直至液体在毛细力作用下填满夹持器整个下表面，充满探针和夹持器空间，从而在液面和夹持器下表面间形成液桥，原子力显微镜下直视即能观察到夹持器底部和液面间有弧形液桥，且弧形液桥覆盖整个夹持器下表面，如图3所示，图5(b)为实物图；液桥形成后，探针与夹持器间的空间被液体填满，液桥完全包裹住探针，使入射激光在探针和夹持器间的传播介质全部变为纯液相，因此反射光路不会再因探针浸入液体的深度的而改变；液桥的形成补偿了激光反射光路的变化。

(4)如图3所示，向探针针尖方向微调入射激光至原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，并调节四象限光电检测器，使反射激光再次照在四象限光电检测器中心；

(5)因光在液体中折射，之前调节好的探针实像会变模糊，再次回到set up界面调CCD至探针清晰实像；

(6)重新进入navigate界面，并使探针以全速的5％速度向上移动一步，即点击一下“上移”按钮上移一步，解除撞针保护，并将探针的移动速度调回正常值；速度不高于20％的目的是防止液桥因速度太大被破坏。

(7)如图4所示，因PDMS样品是透明样品，在navigate界面选择“聚焦至探针倒影”，并在液相中继续下针至在CCD影像上看到探针倒影；

(8)设置扫描范围Scan size为0nm，set point为0.5V，点击engage进针，进针成功后修改Scan size为5μm并扫描，在液下扫描的PDMS形貌如图6所示。也可点击ramp获取液相中探针与PDMS样品表面的力-距离曲线，图7为利用该方法获取的胶体探针与PDMS样品在纯水中的力-距离曲线。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种原子力显微镜液下测量的激光调节方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)在大气环境下，调节原子力显微镜的图像传感器CCD的位置，直至在CCD图像界面观察到清晰的探针实像；用“阴影法”调节入射激光的位置，使其光斑照在悬臂前端；调节四象限光电检测器位置，使入射激光反射到四象限光电检测器上的激光强度最大，即原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，调节四象限光电检测器使反射激光照在四象限光电检测器的中心；

(2)向下移动探针至针尖浸入液面，探针与夹持器间的空间有部分液体和气体，激光反射光路因在液体中折射而改变，反射光超出四象限光电检测器的检测范围，SUM值变为0，系统撞针保护开启，不能继续向下移动探针；

(3)向探针和液面间缓慢滴加液体，液体在毛细力作用下会向上运动至夹持器下表面，继续滴加液体直至液体在毛细力作用下填满夹持器整个下表面，从而在液面和夹持器之间形成液桥；液桥形成后，探针与夹持器间的空间被液体填满，反射光在探针与夹持器间传播介质变为纯液相，因此反射光路不会再因探针浸入液体的深度的而改变；液桥的形成补偿了激光反射光路的变化；

(4)向探针针尖方向微调入射激光至原子力显微镜显示屏上的SUM值最大，并调节四象限光电检测器，使反射激光再次照在四象限光电检测器中心；

(5)因光在液体中折射，之前调节好的探针实像会变模糊，再次调CCD至探针清晰实像；

(6)使探针以不高于全速的20％向上移动一步，解除撞针保护，并将探针的移动速度调回正常值；速度不高于20％的目的是防止液桥因速度太大被破坏；

(7)继续向下移动探针至液体内待测样品表面附近，如果是透明样品，使CCD聚焦至探针在样品表面形成的倒影，如果是非透明样品，使CCD聚焦至样品表面；

(8)将扫描范围scan size设为0nm，进针开始液下测量。

2.根据权利要求1所述的一种原子力显微镜液下测量的激光调节方法，其特征在于，所述的向探针和液面间缓慢滴加液体，液体在毛细力作用下会向上运动至夹持器下表面，继续滴加液体直至液体在毛细力作用下填满夹持器整个下表面，从而在液面和夹持器之间形成液桥，原子力显微镜下直视即能观察到夹持器底部和液面间有弧形液桥。

3.根据权利要求2所述的一种原子力显微镜液下测量的激光调节方法，其特征在于，所述的原子力显微镜下直视即能观察到夹持器底部和液面间有弧形液桥，弧形液桥覆盖整个夹持器下表面。

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