CN109387670A - 一种基于差分降噪的sicm电压调制成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法，装置包括电压驱动单元、电流检测单元、信号调制单元、反馈控制单元、机构执行单元；方法包括：信号发生器产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器作为参考电压；通过膜片钳放大器进行电容补偿；将一路与参考信号同频同相位的调制电压连接到锁相放大器进行反馈信号调制；计算得到新的电流设定值；锁相放大器将提取的电流分量反馈给控制器，控制探针与样品的距离，记录下探针及样品相对位移的轨迹，完成图像扫描。本发明通过对反馈信号进行调制，可增加驱动电压的幅值，提高系统信噪比，进而可以达到提高SICM系统Z向分辨率和扫描速度的目的。

Description

一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法

技术领域

本发明涉及一种新型的快速高分辨率的微纳米级非接触式成像技术，具体地说是一种基于差分降噪的扫描离子电导显微镜(SICM)电压调制成像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(scanning ion conductance microscope:SICM)是一种在纳米尺度下成像及对生物样品进行多种方式表征的扫描探针显微技术，已经广泛应用于生物、医药、化学、材料等多个领域。SICM最大的特点在于能够在生理条件下对活细胞进行非力接触的无损观测，同时不需要对样品进行荧光标记等预处理，因而是一种高分辨率、高保真的成像技术，其无损观测的方式特别适用于对柔软样品如活细胞等的观测。SICM使用一根尖端为锥形的中空玻璃管作为探针，针尖内半径约为几十到几百纳米，待测样品放置在样品皿中，在探针和样品皿中灌有相同的电解质溶液并各放置一根Ag/AgCl电极，扫描时探针浸入到液面以下，在电极两端施加电压就会在溶液内产生离子电流，当针尖远离样品时，电流保持不变，其大小与电解质导电率、针尖的尺寸形状等有关，当针尖与样品的距离减小到约为尖端内半径的大小时，针尖与样品间狭小的空间开始阻碍离子的通过，离子电流随着探针继续逼近而逐渐减小，因而可以通过控制离子电流的大小来控制针尖与样品间的距离，扫描时探针在样品表面逐行扫过，控制电流恒定来使针尖与样品一直保持恒定的距离，记录下探针移动的轨迹即可得到整个样品的三维形貌图像。

现有的SICM扫描模式主要直流模式、距离调制模式、跳跃模式、同相/正交电压调制模式。直流模式是最早提出也是最简单的扫描模式，它的反馈量为直流电流，其优点在于扫描速度快且实现简单，不到五分钟即可得到一幅256分辨率的图像，但缺点是容易出现直流漂移、易受电气噪声的影响，不利于长时间观测。距离调制模式的反馈电流是通过驱动探针在Z方向高频小幅振动而产生的交变电流，因为只采用单一频率的交流电流作为反馈所以很好地解决了上述问题，但该模式受压电陶瓷性能的限制，最高调制频率只有1-2kHz，影响了交流电流的采样速度，降低了扫描速度，扫描一幅图像需要15-30分钟。跳跃模式更适合扫描高度起伏较大的样品，但探针跳跃运动的扫描方式使其扫描速度较慢，需要15分钟以上才能得到一幅图像。同相/正交电压调制模式直接在电极两端施加高频交流电压，以产生的同频交流电流的单一分量(同相或正交分量)为反馈，该模式不仅解决了直流漂移、电气噪声等对系统的影响，而且不受压电陶瓷性能的限制，提高了扫描速度，不到10分钟就可获得一幅高质量的图像，但其和直流模式相比，在扫描速度和成像分辨率方面，仍存在一定的差距。这是由于同相/正交电压调制模式与直流模式相比反馈量信噪比较低，噪声掩盖了样品表面的微小形貌，降低了Z向的分辨能力，同时较低的信噪比使得锁相放大器需要较大的时间常数，增加了信号处理的时间。提高信噪比有减小噪声或增加有效信号幅值两种方式。当系统硬件和环境条件固定时，噪声水平不变，可以通过增加电极两端的驱动电压来增加有效信号的幅值，但受锁相放大器输入范围的限制，驱动电压只能在有限的范围内增加，因而无法进一步提高信噪比。

发明内容

为了提高SICM系统的抗干扰能力、反馈信号信噪比，从而进一步提高扫描速度和成像分辨率，本发明提出了一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法。

本发明采用的技术方案如下：一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，包括：信号发生器、膜片钳放大器、探针、参比电极、锁相放大器、人机交互界面、PID控制器、纳米平台控制器、Z轴压电陶瓷和XY纳米平台；

膜片钳放大器与探针中的工作电极、溶液中的参比电极连接，还分别与信号发生器、锁相放大器连接；信号发生器、锁相放大器、人机交互界面、PID控制器、纳米平台控制器、Z轴压电陶瓷顺序连接；所述锁相放大器与PID控制器连接，人机交互界面、纳米平台控制器和XY纳米平台顺序连接；

所述探针与Z轴压电陶瓷连接，装有溶液的容器置于XY纳米平台上。

所述膜片钳放大器的外部电压输入端与信号发生器的输出端口1连接，用于接收信号发生器产生的交流电压；膜片钳放大器的探头信号端口与探针中的工作电极连接，膜片钳放大器的接地端口与溶液中的参比电极连接，交流电压作为驱动电压通过膜片钳放大器施加在两个电极间；膜片钳放大器的电流检测输出端口与锁相放大器的差分输入端口1连接。

所述锁相放大器的参考信号端、差分输入端口2均与信号发生器的输出端口2连接，接收信号发生器的交流电压分别作为参考信号、调制信号；锁相放大器的信号输出端分别与PID控制器和人机交互界面连接，用于输出反馈信号。

所述信号发生器输出端口1、输出端口2输出的交流电压同频率。

所述反馈信号为同相电压调制模式下交流信号的同相分量，或者正交电压调制模式下交流信号的正交分量。

所述PID控制器的设定值输入端与人机交互界面的设定值输出端连接，反馈输入端与锁相放大器的信号输出端、人机交互界面的显示端连接；纳米平台控制器的XYZ向输入端与PID控制器的控制输出端、人机交互界面的纳米平台位置控制端连接，Z向输出端与Z轴压电陶瓷连接，XY向输出端与XY纳米平台连接。

一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，包括以下步骤：

1)信号发生器产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器的外部电压输入端口，施加到工作电极和参比电极上作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器的参考信号端作为参考电压；

2)膜片钳放大器检测回路中的离子电流，经I-V变换放大后由输出端口输出电压至锁相放大器的差分输入端口1；锁相放大器输入方式为单输入；

3)通过控制Z轴压电陶瓷使探针逼近样品；

4)施加电容补偿：调节膜片钳放大器的电容补偿值C_comp，并增加驱动电压幅值；

5)差分降噪反馈信号调制：与参考信号同频同相位的调制信号输出到锁相放大器的差分输入端口2，锁相放大器输入方式为差分输入，先增加调制信号的电压幅值再增加信号发生器驱动电压幅值，重复进行多次；

6)计算得到新的电流设定值，使得反馈信号调制前后探针在工作点处的针尖与样品距离保持不变；

7)锁相放大器提取差分输入端口1的输入信号中与参考电压同频同相分量或同频正交分量在信号输出端输出，作为PID控制器的反馈信号，以新的电流设定值控制Z轴压电陶瓷上下运动，使针尖与样品距离保持恒定；

8)控制XY向纳米平台在水平面带动样品XY向运动，同时Z轴压电陶瓷带动探针在样品表面随高度变化运动，记录下探针及样品相对位移的轨迹，得到样品的表面形貌，完成图像扫描。

所述驱动电压和调制信号同频同相位，所述差分降噪反馈信号调制包括以下步骤：

锁相放大器输入方式设置为差分输入，所得锁相放大器实际输入信号U_{lock_in}为膜片钳放大器的电流检测输出端口输出电压U_{I_monitor}与调制信号U_mod的差；

增加调制信号的幅值，并且保证锁相放大器实际输入信号U_{lock_in}不超过其额定范围；

再增加驱动电压的幅值，同样保证锁相放大器的输入不超过其额定范围；重复以上过程直至达信噪比大于阈值为止。

新的电流设定值包括以下步骤：

记录反馈信号调制前施加在两个电极间的驱动电压幅值u₁，回路电流的分量I_{ref_1}，工作电流设定值sp₁，记录反馈信号调制后驱动电压增加到的幅值u₂；其中回路电流的分量I_{ref_1}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_1}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_1}；

计算得到反馈信号调制后回路电流中的分量I_{ref_2}、分量变化量e_{sp_2}；其中分量I_{ref_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_2}；分量变化量e_{sp_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量变化量e_{sol_sp_2}，正交电压调制模式下为正交分量变化量e_{cap_sp_2}，其中e_{sp_2}指反馈信号调制后，对应调制前同样的探针工作距离，回路电流分量的设定值与基准电流值之差，其中基准电流值是指探针远离样品一定距离后离子电流不受探针-样品距离影响而保持在最大值时的电流值；一定距离约为探针尖端内半径大小。

记录反馈信号调制后探针远离样品时锁相放大器输出的分量幅值，包括同相电压调制模式下为同相分量X_{ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量Y_{ref_2}，再由e_{sp_2}计算得到新的电流设定值sp₂；

分量变化量e_{sp_2}：

新的电流设定值,

其中，同相电压调制模式为：

sp₂＝1-e_{sol_sp_2}/X_{ref_2}

正交电压调制模式为：

sp₂＝1+e_{cap_sp_2}/Y_{ref_2}

同相分量或正交分量应用于跳跃扫描成像模式作为探针-样品距离调控信号，用于提高系统的抗干扰能力和成像质量。

本发明具有如下优点：

1、本发明可以提升系统的反馈信号信噪比。当硬件及环境条件固定时，系统的噪声水平不变，增加电极两端的驱动电压可以增加回路中的离子电流，进而增加有效信号信噪比，但由于受锁相放大器的输入范围限制，驱动电压不能无限增大，在施加了电容补偿后，驱动电压只能增加到使回路总电流占满锁相放大器的输入范围。反馈信号调制通过将锁相放大器输入信号中不随探针-样品距离变化的分量去除，进而减小输入到锁相放大器的电流幅值，从而可以再次提高驱动电压，最终使得从基准电流到工作点的电流变化量占据整个输入范围，因而可以进一步提高信噪比。增加前的驱动电压幅值u₁，增加后的驱动电压幅值u₂，信噪比提升u₂/u₁倍。

2、本发明可以提高系统的Z向分辨率。当某些微小形貌的高度变化对离子电流的影响小于噪声水平，该部分形貌就会淹没在噪声中。本发明通过增加驱动电压，使对应相同高度变化产生的反馈电流变化量更大，远超噪声水平，进而增加系统的Z向分辨率。原有交流模式信噪比能使系统达到约20nm的Z向分辨率，本发明的信噪比能够使系统达到低于1nm的Z向分辨率，分辨出更精细的形貌特征。

3、本发明可以提升系统扫描速度。相对直流成像模式，电压调制模式增强了SICM系统的抗干扰能力，但也使扫描速度降低。本发明增加了反馈信号的信噪比，使系统可以工作在更高的带宽。在进行差分降噪前锁相放大器的时间常数需为100-300μs，而本发明中锁相放大器时间常数设置为30μs时信噪比仍满足扫描成像的要求，进而极大增加了控制系统响应速度，提高了SICM扫描速度。差分降噪前扫描一幅256分辨率的图像需要八分钟，使用本发明获得一幅同样质量的256分辨率图像只需2分钟，理论上还有进一步提高的空间。同时本发明可以使驱动电压的调制频率达到75kHz以上，远大于差分降噪前的15kHz，提升驱动电压的调制频率可以减少锁相放大器检测信号的时间，从而进一步提高系统的扫描速度。

4、本发明可以优化探针工作距离。SICM的特点在于其非接触式的扫描方式。探针工作点距离样品越远，探针碰撞到样品的几率越小，因而对样品可能造成的损伤及形变越小。但是工作距离的设定要求反馈电流的变化量必须超出噪声的覆盖范围，且超出噪声水平越多信噪比越高，所以工作距离的设定必须使探针与样品足够接近。本发明由于驱动电压的增加，使得探针向样品逼近更小的距离就可以得到与原有方法同样的离子电流变化量，从而探针可以工作在距离样品表面更远的位置。

5、本发明提供了一种同时具备较强抗干扰能力及较快扫描速度、较高分辨率的成像方法。本发明中施加在电极两端的驱动电压为交流电压，使系统具备了对直流漂移、电气噪声的抑制能力，能够进行长时间的稳定高保真观测，同时对于电压调制模式比直流模式扫描速度慢、Z向分辨率低的问题，本发明通过提高信噪比使同相/正交电压调制模式的扫描速度和Z向分辨率不弱于直流模式，提供了一种更加有效的成像方式。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为本发明的电极-探针-溶液回路的电路原理图；

图2b为本发明的电极-探针-溶液回路的等效电路原理图；

图2c为本发明的电极-探针-溶液回路的简化电路原理图；

图3a为未施加电容补偿和调制信号时的回路离子电流信号相量图；

图3b为施加电容补偿、未增加驱动电压、未施加调制信号时的回路离子电流信号相量图；

图3c为施加电容补偿、增加驱动电压、未施加调制信号时的回路离子电流信号相量图；

图3d为施加电容补偿、增加驱动电压、施加调制信号时的回路离子电流信号相量图；

图3e为施加电容补偿、增加驱动电压、施加调制信号并再次增加驱动电压时的回路离子电流信号相量图；

图4a为在完全电容补偿的理想情况下，未进行反馈信号调制时的膜片钳放大器输出U_{I_monitor}、调制信号幅值U_mod及锁相放大器输入U_{lock_in}的关系；

图4b为在完全电容补偿的理想情况下，进行了一次反馈信号调制时V_{I_monitor}、U_mod及U_{lock_in}的关系；

图4c为在完全电容补偿的理想情况下，进行了两次反馈信号调制时V_{I_monitor}、U_mod及U_{lock_in}的关系；

图5a为原有方法的反馈量信噪比图；

图5b为本发明的反馈量信噪比图；

图5c为调制频率50kHz时的电流逼近曲线；

图5d为设定值为99.2％时的逼近曲线；

图5e为本发明工作点实际抬高距离计算图；

图6a为本发明对PDMS栅格扫描结果平面图；

图6b为使用原模式对同一PDMS栅格扫描结果平面图；

图6c为本发明对PDMS栅格扫描结果3D图；

图6d为使用原模式对同一PDMS栅格扫描结果3D图；

图7a为本发明在行扫描频率2hz时对PDMS栅格扫描结果平面图；

图7b为本发明在行扫描频率2hz时对PDMS栅格扫描结果3D图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，包括：

电压驱动单元：由信号发生器产生一定频率、幅值、相位的交流电压，为锁相放大器提供参考电压和调制信号；同时信号发生器产生的交流信号作为驱动电压通过膜片钳放大器施加在电极两端，为电极-探针-溶液回路提供端电压；

电流检测单元：使用膜片钳放大器检测微弱电流信号，经膜片钳放大器内部I-V变换器放大后传输给锁相放大器；

信号调制单元：通过电容补偿、多次差分降噪信号调制操作来增强反馈信号分量，提高信噪比，并且保证锁相放大器输入不超过其限制范围；

反馈控制单元：锁相放大器输出的反馈量传输给控制器，控制器通过PID算法计算出控制量，再由高压放大器放大后驱动Z轴压电陶瓷带动玻璃探针运动；

机构执行单元：通过Z轴压电陶瓷控制探针Z向运动；通过XY轴纳米平台控制样品的水平运动。

电压驱动单元包括信号发生器1、膜片钳放大器2、玻璃管探针3、工作电极4和参比电极5；所述信号发生器1的输出端口1与膜片钳放大器2的外部电压输入端连接，膜片钳放大器的2探头信号端口与探针中的工作电极4连接，膜片钳放大器的接地端口与溶液中的参比电极5连接。

电流检测单元包括膜片钳放大器2、锁相放大器6、人机交互界面7、信号发生器1、玻璃管探针3、工作电极4和参比电极5；所述膜片钳放大器2的电流检测输出端口I_monitor与锁相放大器6的差分输入端口1连接，锁相放大器6的信号输出端分别与PID控制器8和人机交互界面7连接，锁相放大器6参考信号端与信号发生器1输出端口2连接，信号发生器1输出端1、输出端2输出电压同频率。

所述信号调制单元包括锁相放大器6、信号发生器1、人机交互界面7和膜片钳放大器2；所述锁相放大器6差分输入端口2与信号发生器1输出端口2连接，锁相放大器6输入方式为差分输入。

所述反馈控制单元包括锁相放大器6、PID控制器8、Z轴压电陶瓷10、纳米平台控制器9和人机交互界面7；所述锁相放大器6信号输出端口与PID控制器8反馈输入端口连接，PID控制器8控制输出端口与纳米平台控制器9XYZ向输入端口连接，PID控制器8设定值输入端口与人机交互界面7连接。

所述机构执行单元包括Z轴压电陶瓷10、XY纳米平台11、纳米平台控制器9、PID控制器8、人机交互界面7和玻璃管探针3；所述纳米平台控制器9XYZ输入端口与PID控制器8的控制输出端口连接，Z轴压电陶瓷10装载有玻璃管探针3，样品放置在XY纳米平台11上，纳米平台控制器9XYZ向输入端口与人机交互界面7的纳米平台位置控制输出端连接；人机交互界面7与PID控制器8连接，用于读取和存储扫描时探针的Z方向位置数据和样品的XY方向位置数据。

一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，包括以下步骤：

1)信号发生器1产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器2的外部电压输入端口，施加到电极的两端作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器6的参考信号端作为参考电压；

2)膜片钳放大器2检测回路中的离子电流，经I-V变换放大后由输出端口I_monitor输出，连接到锁相放大器6的差分输入端口1，锁相放大器6输入方式为单端输入，锁相放大器6检测输入信号中与参考电压同频同相及同频正交分量；

3)探针先粗逼近样品，再通过Z轴压电陶瓷10精逼近样品；

4)施加电容补偿。通过调节膜片钳放大器2的电容补偿值C_comp优化反馈信号，即保持参比电极与工作电极间的驱动电压不变，调节补偿电容值，所述膜片钳放大器的电容补偿值为3～10pF；然后增大信号发生器输出电压进而增大驱动电压U_ac幅值，保证膜片钳放大器的输出U_{I_monitor}不超过锁相放大器额定输入范围以免损害锁相放大器；

5)差分降噪反馈信号调制。将与参考信号同频同相位的调制信号连接到锁相放大器(6)的差分输入端口2，锁相放大器6输入方式为差分输入，先增加调制电压幅值再增加信号发生器驱动电压幅值，重复进行多次信号调制及电容补偿以优化反馈信号；

6)计算得到新的电流设定值，使得反馈信号调制前后探针在工作点处的针尖/样品距离(简称工作距离)保持不变；

7)锁相放大器6提取输入信号同相或正交分量在信号输出端输出，作为PID控制器8的反馈信号，以新的电流设定值控制Z轴压电陶瓷10上下运动，使针尖与样品距离保持恒定；

8)控制XY向纳米平台11在水平面带动样品XY向运动，同时Z轴压电陶瓷10带动探针在样品表面随高度变化运动，记录下探针及样品相对位移的轨迹，得到样品的表面形貌，完成图像扫描。

差分降噪反馈信号调制方法，包括以下步骤：

信号发生器1产生一路与驱动电压同频同相位的电压信号，称为调制信号，连接到锁相放大器6的差分输入端口2(可与锁相放大器参考信号端采用同一信号输入源)；锁相放大器(6)输入方式设置为差分输入，所得锁相放大器实际输入信号U_{lock_in}为膜片钳放大器2的I_monitor端输出U_{I_monitor}与调制信号U_mod的差；增加调制信号的幅值，并且要保证锁相放大器6实际输入信号U_{lock_in}不超过其额定范围；再增加驱动电压的幅值，同样保证锁相放大器6的输入不超过其额定范围；重复以上过程直至达到较高的信噪比。

所述计算得到新的电流设定值，包括以下步骤：

记录反馈信号调制前电极两端的驱动电压幅值u₁，回路电流的分量I_{ref_1}(同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_1}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_1})，工作电流设定值sp₁，记录反馈信号调制后驱动电压增加到的幅值u₂；计算得到反馈信号调制后回路电流中的分量I_{ref_2}(同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_2})、分量变化量e_{sp_2}(同相电压调制模式下为同相分量变化量e_{sol_sp_2}，正交电压调制模式下为正交分量变化量e_{cap_sp_2})，e_{sp_2}指反馈信号调制后，对应调制前同样的探针工作距离，回路电流分量的设定值与基准电流值之差，其中基准电流值是指探针远离样品一定距离后离子电流不受探针-样品距离影响而保持在最大值；记录反馈信号调制后探针远离样品时锁相放大器(6)输出的分量幅值(同相电压调制模式下为同相分量X_{ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量Y_{ref_2})，再由e_{sp_2}计算得到新的电流设定值sp₂。

分量变化量e_{sp_2}：

新的电流设定值，

其中，同相电压调制模式为：

sp₂＝1-e_{sol_sp_2}/X_{ref_2}

正交电压调制模式为：

sp₂＝1+e_{cap_sp_2}/Y_{ref_2}

本发明中，同相电压调制模式是指：信号发生器输出两路同频的交流信号，一路信号施加到锁相放大器的参考信号端，另一路信号施加到膜片钳放大器的外加电压端作为驱动电压。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与驱动电压同相同频的电流分量，并将其幅值输出。输出值作为反馈量，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。

正交电压调制模式是指：由信号发生器输出交流电压信号，通过膜片钳放大器加载到玻璃管电极上作为驱动电压，同时，通过膜片钳放大器检测玻璃管电极中的电流值输出到锁相放大器中，由锁相放大器检测其中与驱动电压同频且相位滞后90度的交流分量的幅值，并以此为反馈量输送至控制器，控制探针针尖与样品的距离，实现样品的扫描。

两种模式的不同：

同相电压调制模式：

直接在电极两端施加高频交流电压，以产生的同频交流电流的同相分量为反馈，控制探针针尖与样品的距离，实现样品的扫描。

正交电压调制模式：

直接在电极两端施加高频交流电压，以产生的同频交流电流的正交分量(比驱动电压相位滞后90度的分量)为反馈，控制探针针尖与样品的距离，实现样品的扫描。

本发明为SICM的一种新型扫描成像方法，系统结构如图1所示，其中扫描头放置在倒置光学显微镜上，扫描头包含三个微位移平台，XY纳米运动平台承载样品在水平方向进行纳米级精度移动，运动范围100μm×100μm，三轴移动平台带动玻璃管探针在XYZ方向进行亚微米级的移动，运动范围十几毫米，Z轴压电陶瓷固定在三轴微米运动平台上，带动玻璃管探针在Z方向进行纳米级的上下运动。

信号发生器产生两路同频的交流电压信号，输出端1信号初始幅值200mV，连接到膜片钳放大器的外电压输入端，施加在两Ag/AgCl电极两端作为驱动电压；输出端2信号初始幅值500mV，分别连接到锁相放大器的差分输入端口2作差分输入和锁相放大器的参考信号端。膜片钳放大器的探头信号端连接到探针内的工作电极，接地端连接到样品皿溶液中的参比电极，检测两电极间流过溶液的微弱离子电流，经膜片钳放大器放大后由输出端I_monitor输出到锁相放大器的差分输入端口1，锁相放大器先设置输入方式为单端输入，仅检测差分输入端口1中信号与参考信号同频率、同相或正交分量在输出端输出。待施加完第一次电容补偿、增加驱动电压后，切换为差分输入方式，检测差分输入端口1与差分输入端口2的差分信号中与参考信号同频率、同相或正交分量在输出端输出，并作为反馈量输入到PID控制器中，通过PID算法计算出控制量，再经压电陶瓷功率放大电路放大后控制Z轴压电陶瓷运动，使针尖与样品距离保持恒定。

图2a～图2c为本发明的探针处电流效应的电路模型。随距离减小而增大的尖端电阻R_t和固定不变的探针电阻R_p串联后与同样随距离减小而增大的电容尖端电容C_t并联，再与管壁电容C_p并联，之后一起与探针外电阻R_b串联，最后与杂散电容C_stray并联。其中尖端电阻R_t和尖端电容C_t是控制探针/样品距离的依据，R_b远远小于R_p，可以忽略，因此可以将电路模型简化成如图2c的单电阻单电容并联的简化模型，其中R_sol包括R_p和R_t，C_total包括C_p、C_t和C_stray。因此在电极两端施加交流电压，流经两Ag/AgCl电极的总电流I_ac包含流经电阻的电流I_sol和流经电容的电流I_cap，I_sol是I_ac中与驱动电压U_ac同相的部分，I_cap是I_ac中与U_ac相位差90度的部分，I_sol与尖端电阻R_t成反比，I_cap与尖端电容C_t成正比，I_sol随距离的减小而单调减小，I_cap随距离的减小而单调增加，因而可以通过控制I_sol或I_cap来使探针和样品间的距离保持恒定。

图3a～图3e、图4a～图4c为反馈信号调制的原理图。图3a～图3e为进行一次电容补偿和反馈信号调制时锁相放大器输入U_{lock_in}的变化过程，锁相放大器的输入为膜片钳放大器的I_monitor端输出U_{I_monitor}和调制电压的差分。未施加电容补偿和调制电压时，U_{lock_in}＝U_{I_monitor}，调节驱动电压U_ac，使U_{lock_in}接近锁相放大器的输入限制(Limit)范围，如图3a；施加电容补偿，在膜片钳放大器内部增加一路电流通道，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，减小I_monitor中电容通道电流I_cap所占的比重，I_monitor也随之减小，如图3b；第一次增大驱动电压U_ac，如图3c，使锁相放大器输入再次达到其限制范围，此时I_monitor的同相分量I_sol占据总电流的绝大部分；开始施加调制电压U_mod，U_mod与驱动电压和参考电压同频率同相位，此时锁相放大器的输入为：U_{lock_in}＝U_{I_monitor}-U_mod，增加U_mod，从而减小U_{lock_in}中的同相分量U_{lock_in_inphase}，锁相放大器的输入再次被减小，如图3d，由于实际操作中无法做到完全电容补偿，因而此时U_{lock_in}中的正交分量U_{lock_in_quadrature}再次占据了锁相放大器的绝大部分输入；第二次增加驱动电压，使回路离子电流I_ac增加，U_{lock_in}也随之增加直至接近锁相放大器的输入限制范围，如图3e；此时锁相放大器输入U_{lock_in}中的同相和正交分量又回到如图3a所示的情形，接着再重复电容补偿和反馈信号调制的过程，即重复从图3a到图3e的过程，驱动电压U_ac又得到了增加，如此反复进行，驱动电压U_ac即可增加到足够大；而用作反馈的I_sol或I_cap与U_ac成正比，于是探针从基准电流位置到工作点位置的反馈电流变化量也随着U_ac的不断增加而增加，而噪声水平不变，所以可以使信噪比不断提高，直至满足高速高分辨率扫描的需求。

图4a～图4c为理想情况下锁相放大器输入U_{lock_in}和U_mod、U_{I_monitor}的关系。以同相电压调制模式为例，理想情况为电容通道电流I_cap一直被完全补偿，此时锁相放大器的输入U_{lock_in}全部为同相分量，电阻通道电压U_sol等于驱动电压U_ac，增加驱动电压使探针从基准电流位置到工作点位置的电流变化量占据锁相放大器输入的整个限制范围。图4a未进行反馈信号调制，图4b进行了一次反馈信号调制，图4c进行了两次反馈信号调制，随着调制电压U_mod的增加，U_{I_monitor}和U_ac也不断增加，但锁相放大器的输入U_{lock_in}一直保持在其最大限制范围不变。

图5a～图5e为本发明的反馈电流随探针-样品距离变化的逼近曲线。图5a、5b为相同实验条件下本发明和原有方法的电流逼近曲线对比，可以看出使用本方法后信噪比得到了极大增强，系统Z向分辨率达到1nm。图5c为调制频率50kHz，锁相放大器时间常数30μs时的逼近曲线，此时可实现行扫描频率2Hz的高速扫描成像。图5d为工作点设定值为99.2％时的逼近曲线，验证了工作点的优化效果。图5e为工作点实际抬高距离的计算，对于PDMS栅格样品，与原有方法只能工作在98％设定值相比，设定值为99.2％时工作距离增加约40nm。

图6a～图6d为本发明和原有方法的扫描结果对比。图6a为本发明的扫描结果平面图，图6b为原有方法扫描结果平面图，本发明扫描结果更加清晰锐利，原有方法扫描结果有更多的噪点，图6c为本发明的扫描结果3D图，可以看到图像中样品表面高频毛刺的高度要明显小于图6d中原有方法的扫描结果，而这些毛刺就是因为噪声产生的，样品表面形貌中小于噪声毛刺的部分就会淹没在噪声里。

图7a～图7b为本发明在行扫描频率2Hz时的扫描结果。扫描范围30μm×30μm，分辨率256×256，图7a为平面图，图7b为3d图，可见在本发明的成像方式下，系统可以稳定工作在2Hz的行扫描频率。

通过对交流反馈量信号的调制，本发明大幅提升了系统信噪比，实现了SICM系统的快速、高分辨、强抗干扰的长时间无损观测。

基于差分降噪的SICM电压调制成像模式的具体实现方法步骤：

1)样品及探针准备：将待测样品放置于样品皿中，在样品皿中灌入磷酸盐缓冲液(PBS)，液面高于样品表面最高处约2-3mm，再将其固定于水平方向XY纳米平台上；探针使用硼硅酸盐或石英微电极玻璃毛细管经过程控激光拉制仪(P2000/G，Sutter Instrument公司)拉制完成，针尖内半径为10-100nm，向玻璃管中注入相同浓度的PBS溶液，排出探针前端的气泡，将带有Ag/AgCl电极的探针夹持器插入到玻璃管中，再与Z轴压电陶瓷固定，另一根Ag/AgCl电极置于样品皿的溶液中；

2)信号发生器产生两路15-75kHz的同频交流电压，一路幅值500mV连接到锁相放大器的参考输入端，另一路幅值100-1000mV连接到膜片钳放大器的外部电压输入端，膜片钳放大器将外部输入电压施加到Ag/AgCl的两端，作为驱动电压，在回路中会产生与驱动电压同频的交流离子电流，该电流通过膜片钳放大器检测放大后，由I_monitor输出端输出到锁相放大器的差分输入端口1，锁相放大器输入方式设置为单端输入，其中膜片钳放大器的电流放大增益设置为0.1mV/pA，滤波截止频率设置为100kHz；

3)锁相放大器检测输入信号中与参考电压同频、同相或正交分量在锁相放大器输出端输出，将其幅值作为反馈量，输入到控制器中运算和人机交互界面显示。

4)逼近过程：手动粗调载物平台，使待测样品位于光学显微镜的视野范围内；旋动载有探针夹持器的微米平台XY方向，使探针位于光学显微镜视野的中央附近，旋动微米平台的Z方向，使探针针尖浸入到液面以下，此时回路导通，开始出现离子电流；借助倒置光学显微镜CCD调节微米平台，使针尖快速下降，粗逼近到样品上方一定的距离，停止微米平台；Z轴压电陶瓷带着探针以100nm/ms的速度向样品自动逼近，直到反馈量减少到最大值的95％-98％时停止，如果压电陶瓷达到了最大行程反馈量仍未变化，则将压电陶瓷回退到初始位置，再将微米平台下降约等于压电陶瓷行程的距离，再重复自动逼近过程，直至反馈量达到停止点，完成探针的精逼近；逼近完成后探针到达工作点附近，再使压电陶瓷回退1-10μm，离子电流恢复到最大值，称为基准电流I_ref，此时电极两端的驱动电压幅值为u₁，回路总电流为I_{ac_ref_1}，其同相分量为I_{sol_ref_1}；

5)电容补偿：调节膜片钳放大器的电容补偿值I_comp，使回路电流I_ac减小，此时回路电流I_ac与参考电压的相位差由锁相放大器检测并显示，增加电容补偿值使相位差减小，相位差接近0度补偿效果为最佳，再增加驱动电压幅值，同时保证膜片钳放大器的输出U_{I_monitor}不超过锁相放大器的输入限制范围，其中电容补偿值为1-10pF；

6)差分降噪反馈信号调制：信号发生器产生一路与驱动电压同频同相位的电压信号，称为调制信号，连接到锁相放大器的差分输入端口2(可与锁相放大器的参考信号端采用同一信号输入源)，锁相放大器输入方式设置为差分输入，增加调制信号的幅值，回路电流I_ac开始先减小后向反相增大，锁相放大器输入与参考信号的相位差开始增大，并且保证锁相放大器的输入不超过其额定范围；再增加驱动电压的幅值，使I_ac开始向驱动电压的同相位方向增加，相位差开始减小并逐渐接近0度，同样保证锁相放大器的输入不超过其额定范围，增加后的驱动电压为u₂；

7)重复进行步骤5)和步骤6)，不断增加施加在电极两端的驱动电压幅值，探针从基准电流位置到工作点位置，I_ac中同相或正交分量变化量占满了锁相放大器输入范围为最佳，电流分量的变化量为：

其中sp₁为进行反馈信号调制前的工作电流设定值，通常为95％-99％，I_{ref_1}是回路电流分量(同相电压调制模式下I_{ref_1}为同相分量I_{sol_ref_1}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_1})，I_{ref_2}为反馈信号调制后回路电流中的分量(同相电压调制模式下I_{ref_2}为同相分量I_{sol_ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_2})，e_{sp_2}为电流分量变化量(同相电压调制模式下为同相分量变化量e_{sol_sp_2}，正交电压调制模式下为正交分量变化量e_{cap_sp_2})，u₁、u₂分别是进行反馈信号调制前后的驱动电压；

8)设定新的工作点设定值，

同相电压调制模式为：

sp₂＝1-e_{sol_sp_2}/X_{ref_2}， (2)

正交电压调制模式为：

sp₂＝1+e_{cap_sp_2}/Y_{ref_2}， (3)

，其中X_{ref_2}为调制后探针远离样品(探针和样品间距大于约探针尖端内半径大小)时锁相放大器同相分量输出信号的幅值，Y_{ref_2}为调制后探针远离样品(探针和样品间距大于约探针尖端内半径大小)时锁相放大器正交分量输出信号的幅值。

9)锁相放大器输出信号作为控制器的反馈量，以sp₂为设定值，PID控制器计算出控制量，通过压电陶瓷功率放大电路放大后驱动Z轴压电陶瓷进行上下运动，使反馈量保持在设定值不变，针尖与样品距离保持恒定，针尖的位置反映了样品表面的高度。控制承载样品的XY向纳米平台在水平方向逐行移动，探针在样品表面以固定的间距随着样品表面形貌起伏运动，记录探针运动的轨迹即可得到样品的三维形貌，完成图像扫描。

Claims (10)

1.一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于包括：信号发生器(1)、膜片钳放大器(2)、探针(3)、参比电极(5)、锁相放大器(6)、人机交互界面(7)、PID控制器(8)、纳米平台控制器(9)、Z轴压电陶瓷(10)和XY纳米平台(11)；

膜片钳放大器(2)与探针(3)中的工作电极(4)、溶液中的参比电极(5)连接，还分别与信号发生器(1)、锁相放大器(6)连接；信号发生器(1)、锁相放大器(6)、人机交互界面(7)、PID控制器(8)、纳米平台控制器(9)、Z轴压电陶瓷(10)顺序连接；所述锁相放大器(6)与PID控制器(8)连接，人机交互界面(7)、纳米平台控制器(9)和XY纳米平台(11)顺序连接；

所述探针(3)与Z轴压电陶瓷(10)连接，装有溶液的容器置于XY纳米平台(11)上。

2.按权利要求1所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于所述膜片钳放大器(2)的外部电压输入端与信号发生器(1)的输出端口1连接，用于接收信号发生器产生的交流电压；膜片钳放大器(2)的探头信号端口与探针(3)中的工作电极(4)连接，膜片钳放大器的接地端口与溶液中的参比电极(5)连接，交流电压作为驱动电压通过膜片钳放大器施加在两个电极间；膜片钳放大器(2)的电流检测输出端口与锁相放大器(6)的差分输入端口1连接。

3.按权利要求1所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于所述锁相放大器(6)的参考信号端、差分输入端口2均与信号发生器(1)的输出端口2连接，接收信号发生器(1)的交流电压分别作为参考信号、调制信号；锁相放大器(6)的信号输出端分别与PID控制器(8)和人机交互界面(7)连接，用于输出反馈信号。

4.按权利要求3所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于所述信号发生器(1)输出端口1、输出端口2输出的交流电压同频率。

5.按权利要求3所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其 特征在于所述反馈信号为同相电压调制模式下交流信号的同相分量，或者正交电压调制模式下交流信号的正交分量。

6.按权利要求1所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置，其特征在于所述PID控制器(8)的设定值输入端与人机交互界面(7)的设定值输出端连接，反馈输入端与锁相放大器(6)的信号输出端、人机交互界面(7)的显示端连接；纳米平台控制器(9)的XYZ向输入端与PID控制器(8)的控制输出端、人机交互界面(7)的纳米平台位置控制端连接，Z向输出端与Z轴压电陶瓷(10)连接，XY向输出端与XY纳米平台(11)连接。

7.一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信号发生器(1)产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器(2)的外部电压输入端口，施加到工作电极(4)和参比电极(5)上作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器(6)的参考信号端作为参考电压；

2)膜片钳放大器(2)检测回路中的离子电流，经I-V变换放大后由输出端口输出电压至锁相放大器(6)的差分输入端口1；锁相放大器(6)输入方式为单输入；

3)通过控制Z轴压电陶瓷(10)使探针逼近样品；

4)施加电容补偿：调节膜片钳放大器(2)的电容补偿值C_comp，并增加驱动电压幅值；

5)差分降噪反馈信号调制：与参考信号同频同相位的调制信号输出到锁相放大器(6)的差分输入端口2，锁相放大器(6)输入方式为差分输入，先增加调制信号的电压幅值再增加信号发生器驱动电压幅值，重复进行多次；

6)计算得到新的电流设定值，使得反馈信号调制前后探针在工作点处的针尖与样品距离保持不变；

7)锁相放大器(6)提取差分输入端口1的输入信号中与参考电压同频同相分量或同频正交分量在信号输出端输出，作为PID控制器(8)的反馈信号， 以新的电流设定值控制Z轴压电陶瓷(10)上下运动，使针尖与样品距离保持恒定；

8)控制XY向纳米平台(11)在水平面带动样品XY向运动，同时Z轴压电陶瓷(10)带动探针在样品表面随高度变化运动，记录下探针及样品相对位移的轨迹，得到样品的表面形貌，完成图像扫描。

8.按权利要求7所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，其特征在于所述驱动电压和调制信号同频同相位，所述差分降噪反馈信号调制包括以下步骤：

锁相放大器(6)输入方式设置为差分输入，所得锁相放大器实际输入信号U_{lock_in}为膜片钳放大器(2)的电流检测输出端口输出电压U_{I_monitor}与调制信号U_mod的差；

增加调制信号的幅值，并且保证锁相放大器(6)实际输入信号U_{lock_in}不超过其额定范围；

再增加驱动电压的幅值，同样保证锁相放大器(6)的输入不超过其额定范围；重复以上过程直至达信噪比大于阈值为止。

9.按权利要求7所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，其特征在于新的电流设定值包括以下步骤：

记录反馈信号调制前施加在两个电极间的驱动电压幅值u₁，回路电流的分量I_{ref_1}，工作电流设定值sp₁，记录反馈信号调制后驱动电压增加到的幅值u₂；其中回路电流的分量I_{ref_1}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_1}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_1}；

计算得到反馈信号调制后回路电流中的分量I_{ref_2}、分量变化量e_{sp_2}；其中分量I_{ref_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量I_{sol_ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量I_{cap_ref_2}；分量变化量e_{sp_2}具体为：同相电压调制模式下为同相分量变化量e_{sol_sp_2}，正交电压调制模式下为正交分量变化量e_{cap_sp_2}，其中e_{sp_2}指反馈信号调制后，对应调制前同样的探针工作距离，回路电流分量的设定值与基 准电流值之差，其中基准电流值是指探针远离样品一定距离后离子电流不受探针-样品距离影响而保持在最大值时的电流值；

记录反馈信号调制后探针远离样品时锁相放大器(6)输出的分量幅值，包括同相电压调制模式下为同相分量X_{ref_2}，正交电压调制模式下为正交分量Y_{ref_2}，再由e_{sp_2}计算得到新的电流设定值sp₂；

分量变化量e_sp_₂：

新的电流设定值,

其中，同相电压调制模式为：

sp₂＝1-e_{sol_sp_2}/X_{ref_2}

正交电压调制模式为：

sp₂＝1+e_{cap_sp_2}/Y_{ref_2}。

10.按权利要求7所述的一种基于差分降噪的SICM电压调制成像方法，同相分量或正交分量应用于跳跃扫描成像模式作为探针-样品距离调控信号，用于提高系统的抗干扰能力和成像质量。