CN114487046A - 测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法 - Google Patents

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CN114487046A CN202210110615.4A CN202210110615A CN114487046A CN 114487046 A CN114487046 A CN 114487046A CN 202210110615 A CN202210110615 A CN 202210110615A CN 114487046 A CN114487046 A CN 114487046A
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Abstract

本发明涉及成像分析技术领域，具体涉及一种测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，包括将二硫化钼薄层，固定在氧化铟锡导电芯片上，向氧化铟锡导电芯片中加入样品液或电解质盐溶液，得到待测芯片；将待测芯片放置于阻抗‑干涉反射成像系统的样品台上，将待测芯片与三电极体系连接，利用相机采集待测芯片中的二硫化钼薄层的干涉反射成像；提取干涉反射成像中的典型样品区域；对干涉反射成像中的像素点以及典型样品区域内的平均光学强度做快速傅里叶变换处理，得到幅度信息；将每个像素点的幅度信息进行累计，得到表面电荷分布的图像。本发明兼具较高的响应速度、灵敏度和抗干扰性，可用于蛋白、污染物等带电物质的检测。

Description

测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法
技术领域
本发明涉及成像分析技术领域，具体涉及一种测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法。
背景技术
电荷在物理、化学、生物反应中起着重要的作用，如何检测反应过程中的电荷，成了人们关心的问题。基于二硫化钼的FET是一种测量结合表面的带电粒子方法，并广泛用于蛋白质的特异性检测，早期还对癌症生物标志物的检测发展做出了很大贡献。但是这种方法不具有成像能力，无法提供直观的表面电荷信息。传统的无标记检测成像方法有导电探针原子力显微技术(C-AFM)，这种机械检测方法通过直径只有十到几十纳米的导电针尖与样品接触，接触过程中，在探针与样品之间施加偏压，并在探针扫描样品表面时测量两者之间的电流，形成电导率图像，具有极高的空间分辨率，但是生成图像的时间长，要求测量的样品面积较小，操作复杂，且探针成本也较为高昂。
光学成像方法大大缩短测量时间，比如可以使用表面等离子体显微镜技术测量样品表面的电荷分布情况。通过对电极表面施加交流电，表面等离子体显微镜光学信号响应传感器表面阻抗，数据处理后得到整个表面的阻抗相位差信息，此信息与表面电荷密度成函数关系，所以能够探测到与基底带电情况不同的小分子，这种方式的不足之处在于，需要特制的金属膜，且由于金属表面电荷密度高、难以调节，灵敏度有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，通过数据处理后的振幅信息作为电荷密度分析新指标，从而解决相关技术中实验耗时长、成本高昂、操作复杂、灵敏度有限等问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，包括：
将二硫化钼薄层，固定在氧化铟锡导电芯片上，向氧化铟锡导电芯片中加入样品液或电解质盐溶液，得到待测芯片；
将待测芯片放置于阻抗-干涉反射成像系统的样品台上，将待测芯片与三电极体系连接，利用相机采集待测芯片中的二硫化钼薄层的干涉反射成像；
提取干涉反射成像中的典型样品区域；
对干涉反射成像中的像素点以及典型样品区域内的平均光学强度做快速傅里叶变换处理，得到幅度信息；
将每个像素点的幅度信息进行累计，得到表面电荷分布的图像。
根据本发明的实施例，氧化铟锡导电芯片包括固定连接的氧化铟锡导电玻璃以及样品池；
根据本发明的实施例，其中，样品池用于存放样品液或电解质盐溶液；
氧化铟锡导电玻璃用于接入电流。
根据本发明的实施例，连接三电极体系包括参比电极、对电极和工作电极；
其中，参比电极与对电极插入样品池内的样品液或电解质盐溶液中；
工作电极与氧化铟锡导电玻璃相连。
根据本发明的实施例，参比电极、对电极和工作电极与交流电源连接，用于提供周期性电信号波动。
交流电源电压包括50～125mV。
根据本发明的实施例，参比电极、对电极和工作电极与直流电源连接，用于控制二硫化钼薄层的载流子密度。
根据本发明的实施例，直流电源电压包括-0.1～-0.3V。
根据本发明的实施例，阻抗-干涉反射成像系统包括物镜、激光源和反光镜。
根据本发明的实施例，样品液通过将检测样品溶解于电解质盐溶液中得到。
根据本发明的实施例，其中，表面电荷分布的图像的成像对比度通过对典型样品区域内的平均光学强度进行快速傅里叶变换确定。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法具有以下有益效果：
本发明通过数据处理后的振幅信息作为电荷密度分析新指标，从而解决之前的方法实验耗时长、成本高昂、操作复杂、灵敏度有限等问题，准确快速获得表面离子密度分布定量信息，为蛋白质、污染物分子的检测提供技术支持。
本发明基于薄层二硫化钼折射率对电荷密度十分敏感的原理，建立了使用干涉反射成像技术测定二维材料表面电荷分布的成像方法。克服了传统检测电荷方法没有成像能力、无法解析局部表面电荷的缺点，本发明中利用干涉反射-阻抗成像方法分析二维材料表面电荷的信息。通过快速傅里叶变换图像处理后的图像对比度，得到材料表面的电荷密度信息。本发明兼具较高的响应速度、灵敏度和抗干扰性，可用于蛋白、污染物等带电物质的检测。
本发明利用阻抗传感系统实现了对电极表面电荷分布的快速成像。快速傅里叶变化处理后的光学强度信息去除了非周期性的噪音干扰。本发明拓宽了光学成像用于表面电荷分布分析的实际应用，对于检测样品的快速检测具有重要的应用价值，相比于传统电荷检测和成像方法，本发明具有速度快、灵敏性高和实验操作简便的优势。
附图说明
图1是干涉反射成像系统原理图；
图2是二硫化钼薄层在激光角度为79.7°时的检测结果图；
图3是二硫化钼薄层表面阻抗成像探究图；
图4是加入污染物前后的成像对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是干涉反射成像系统原理图。
(a)为干涉反射成像系统示意图；
(b)为本发明的光学示意图和信号表达式；
(c)为干涉反射成像系统记录的二硫化钼表面反射光强度随时间的变化图。
根据本发明的一个方面，如图1所示，该测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，包括：将二硫化钼薄层，固定在氧化铟锡导电芯片上，向氧化铟锡导电芯片中加入样品液或电解质盐溶液，自然沉降20分钟，使二硫化钼薄层充分吸附样品液或电解质盐溶液中的带电粒子，得到待测芯片。
用二硫化钼作为底物，吸附带电粒子，从而使信号变化，有些蛋白质或者污染物，能通过调pH值从而使它们有不同的带电情况，比如在酸性条件下带正电，碱性条件下带负电，加在电解质溶液中，然后调pH使它带电。
将待测芯片放置于阻抗-干涉反射成像系统的样品台上，将待测芯片与三电极体系连接，利用相机采集待测芯片中的二硫化钼薄层的干涉反射成像。
相机采用CCD相机，CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，也可将存储之电荷取出使电压发生变化。
提取干涉反射成像中的典型样品区域。
对干涉反射成像中的像素点以及典型样品区域内的平均光学强度做快速傅里叶变换处理，得到幅度信息。
将每个像素点的幅度信息进行累计，得到表面电荷分布的图像。
当二硫化钼薄层表面电荷密度发生变化时，它的折射率随之变化，从而能够灵敏地改变相干光的强度。因此通过检测二硫化钼的折射率，能够得到具有导电性的样品在二硫化钼表面的聚集状态，通过对样品的光学信号进行快速傅里叶变换处理，去除随时间周期性变化以外的噪声信号，能够得到高分辨率的电荷成像图。
利用通过样品内和样品外的相干光束产生干涉，把相位差(光程差)转换为振幅(光强度)变化。当二硫化钼薄层表面电荷密度发生变化时，它的折射率随之变化，从而能够灵敏地改变相干光的强度。通过对样品的光学信号进行快速傅里叶变换(Fast FourierTransfer，FFT)处理，去除随时间周期性变化以外的噪声信号，能够得到高分辨率的电荷成像图。
二硫化钼薄层可以采用厚度小于5nm的二硫化钼薄片，尤其选用单层二硫化钼，单层二硫化钼带隙能量为1.9eV，吸收在可见光范围内，吸收率与材料表面的电荷载流子密度密切相关，且可以通过控制通过材料的门电流随意控制电荷载流子密度，此外，载流子密度也对吸附物非常敏感。因此，我们能够使用光学方法测量单层二硫化钼表面的电荷分布情况，灵敏度比表面等离子共振显微镜方法高一个数量级。
根据本发明的实施例，氧化铟锡导电芯片包括固定连接的氧化铟锡导电玻璃以及样品池；其中，样品池用于存放样品液或电解质盐溶液；氧化铟锡导电玻璃用于接入电流。
样品池可以选择聚二甲基硅氧烷样品池，或其他高透光率的疏水材料，且载玻片由传统的玻璃载玻片换成了导电透光的氧化铟锡导电玻璃(ITO)，将ITO作为检测背景，能够起到导线的作用，且信号比较弱，使二硫化钼薄层提供的典型样品区域与背景ITO的信号强度有较大的差别，样品不同位置的信号强度也有区别，使二维材料表面电荷密度成像的具有可行性。
根据本发明的实施例，连接三电极体系包括参比电极、对电极和工作电极；其中，参比电极与对电极插入样品池内的样品液或电解质盐溶液，工作电极与氧化铟锡导电玻璃相连。
在电化学测量中采用三电极体系，既可以使研究电极的界面通过极化电流，又不妨碍研究电极的电极电势的控制和测量，可以同时实现对电流和电势的控制和测量，由于体系中有电流通过，产生了溶液电压降和对电极的极化，因此工作电极的电位难以准确测定，由此引入参比电极.参比电极有着非常稳定的电位，且电流不经过参比电极不会引起极化，从而工作电极的电位可以由参比电极得到，而电流由工作电极-辅助电极回路得到，从而获得更准确的工作电极的电位。
根据本发明的实施例，参比电极、对电极和工作电极与交流电源连接，用于提供周期性电信号波动。
根据本发明的实施例，交流电源电压包括50～125mV。
根据本发明的实施例，参比电极、对电极和工作电极与直流电源连接，用于控制二硫化钼薄层的载流子密度。
根据本发明的实施例，直流电源电压包括-0.1～-0.3V。
直流电是为了控制二硫化钼的载流子密度，再加一个较小正弦波交流电，使具有电荷载流子的二硫化钼薄层同时被施加信号产生周期性变化的电，由于材料表面的电荷载流子密度与电流相关，因此可以通过改变电流来控制电荷载流子密度。
如图1b所示，图1b为干涉反射成像的光学示意图和信号表达式；根据薄膜光学公式，I是入射光，入射光波长为λ，光强为II从介质1下方向上射入，接着射入介质2和介质3，记反射光为R，透射光为T。三种介质的折射率分别为n1,n2和n3，介质2的厚度设为d2(介质1和3的厚度远大于介质2的厚度，看做是无限大)。
信号表达式中，I是干涉反射成像的信号强度表达式，II为入射光强度，I0是不存在二硫化钼薄层时的干涉反射信号强度。
界面12和界面23的菲涅尔系数分别为
Figure BDA0003494977620000061
Figure BDA0003494977620000062
两个界面的转移矩阵分别为
Figure BDA0003494977620000065
Figure BDA0003494977620000063
二硫化钼的转移矩阵
Figure BDA0003494977620000064
其中
Figure BDA0003494977620000071
整体的转移矩阵为：
Figure BDA0003494977620000072
反射系数为
Figure BDA0003494977620000073
干涉反射成像信号强度为
Figure BDA0003494977620000074
当没有二硫化钼薄层的时候，干涉反射成像信号强度为
Figure BDA0003494977620000075
如图1c所示，图1c是干涉反射成像系统记录的二硫化钼表面反射光强度随时间的变化图，即选取二硫化钼的典型样品区域采集30s，得到的典型样品区域的平均光学强度与帧数关系图。如图可知，平均光学强度呈周期性变化，这是由于对二硫化钼薄层施加的交流电呈周期性，二硫化钼薄层上的电荷载流子响应了交流电的变化，得到了平均光学强度，经过FFT处理后即可得到最终的强度图。
根据本发明的实施例，如图1a所示，阻抗-干涉反射成像系统包括物镜、激光源和反光镜。
阻抗-干涉反射成像系统为现有的干涉反射装置，还包括透镜、偏振片、分束镜等，具体结构不进行详述，任何能够满足本发明使用的阻抗-干涉反射成像系统同样应当包括在本发明的保护范围之内。
根据本发明的实施例，样品液通过将检测样品溶解于电解质盐溶液中得到。
将电解质溶液作为空白组，将样品液作为实验组，电解质溶液可以为氟化钠溶液等，检测样品是带电蛋白质、重金属离子等污染物，本发明通过将样品液与电解质盐溶液的幅度信息的对比能够得到光学强度变化幅度，利用阻抗传感系统实现了对电极表面电荷分布的快速成像。本发明拓宽了光学成像用于表面电荷分布分析的实际应用，对于检测样品污染物带电蛋白质与污染物的快速检测具有重要的应用价值。
根据本发明的实施例，其中，表面电荷分布的图像的成像对比度通过对典型样品区域内的平均光学强度进行快速傅里叶变换确定。
使用MATLAB分析成像结果，获取电极表面电荷成像强度。利用快速傅里叶变换，将表面电荷密度转化为振幅信息。通过选取的典型样品区域平均FFT幅度值作为此条件下的成像对比度。
图2是二硫化钼薄层在激光角度为79.7°时的检测结果图。
(a)为二硫化钼薄层在激光角度为79.7°时的成像图；
(b)为二硫化钼薄层表面阻抗成像经过FFT后的强度图；
(c)为激光功率和入射角度与FFT图像强度的关系图。
根据本发明的实施例，配制浓度为0.1mol/L的氟化钠溶液，作为实验中所使用的电解质溶液。
调试阻抗-干涉反射成像系统，调节激光功率为110mA光电流，入射角度于与样品所在水平面呈约79.7°处。
安装待测芯片与阻抗-干涉反射成像系统的样品台，并在样品池中注入氟化钠电解液。
连接三电极体系，在工作电极加上-0.2V直流电，与频率为5Hz，振动幅度为100mV的交流电。
用CCD相机记录二硫化钼薄层的干涉反射成像，采样速度为100fps，采集帧数为3000帧。
使用MATLAB分析成像结果，获取电极表面电荷成像强度。利用快速傅里叶变换，将表面电荷密度转化为振幅信息。通过选取的典型样品区域平均FFT幅度值作为此条件下的成像对比度。
保持激光功率不变(110mA)，激光角度分别变为86.6°，83.1°，76.3°，74.6°，72.9°，71.2°，69.5°，67.8°，66.1°，重复记录这些条件下的图像对比度。
保持激光角度不变(79.7°)，激光功率改为100mA光电流，重复记录这些条件下的图像对比度。
提取每组实验的典型样品区域，对光学图像的每个像素点以及典型样品区域内平均光学强度做FFT处理。
为了验证阻抗成像的可行性，我们对二硫化钼薄层施加直流电和正弦波交流电，如图2所示，二硫化钼样品区域与背景ITO的信号强度有较大的差别，样品不同位置的信号强度也有区别，证明了对二维材料表面电荷密度成像的可行性。图2a获得了二硫化钼薄层在激光角度为79.7°时的成像图，将图2a得到的成像图经过FFT后得到图2b，由此可知，经过FFT处理之后去除随时间周期性变化以外的噪声信号，能够得到高分辨率的电荷成像图。图2c是在激光角度不变(79.7°)的情况下，激光功率分别为100mA和110mA光电流的图像强度，当激光功率为110mA时，样品不同位置的信号强度具有明显区别，为了得到本专利成像方法的最佳对比度，分别选取了不同激光角度与激光功率进行实验，得到激光角度为79.7°，功率为110mA光电流处的对比度最高。
图3是二硫化钼薄层表面阻抗成像探究图。
(a)为直流电对FFT图像强度的影响；
(b)为交流电幅度对FFT图像强度的影响；
(c)为交流电频率对FFT图像强度的影响。
根据本发明的实施例，配制浓度为0.1mol/L的氟化钠溶液，作为实验中所使用的电解质溶液。
调试干涉反射成像系统，调节激光功率为110mA光电流，入射角度为79.7°处。
安装待测芯片与阻抗-干涉反射成像系统的样品台，并在样品池中注入氟化钠电解液。
连接三电极体系，在工作电极加上-0.2V直流电，与频率为5Hz，振动幅度为100mV的交流电。
用CCD相机记录二硫化钼薄层的干涉反射成像，采样速度为100fps，采集帧数为3000帧。
提取每组实验的典型样品区域，对光学图像的每个像素点以及典型样品区域内平均光学强度做FFT处理。
将直流电改为-0.4V，-0.3V，-0.1V，0V，+0.1V，+0.2V，保持交流电频率为5Hz，幅度为100mV，重复以上的操作。
将交流电幅度改25mV，50mV，75mV，100mV，125mV，保持频率为5Hz，直流电为-0.2V，重复以上的操作。
将交流电频率分别改为3Hz，5Hz，7Hz，9Hz，11Hz，13Hz，17Hz，19Hz，23Hz，27Hz，31Hz，37Hz，41Hz，保持幅度为100mV，直流电为-0.2V，用CCD相机记录二硫化钼薄层的干涉反射成像，采样速度为400fps(在高频交流电压下能获得更精确的数据)，采集帧数为4000帧。重复以上操作。
如图3所示，本部分探究阻抗实验不同参数对成像对比度的影响。当交流电频率与幅度不变时，直流电越负，FFT幅度图像的强度越高，这是因为二硫化钼为n型半导体，导电粒子以电子为主，直流电越负，表面的电荷密度越高，从而光学图像在电压下有更高的对比度(图3a)。当直流电电压与交流电频率不变时，对比度随着振幅(0-125mV范围内)线性增长(图3b)。当直流电电压与交流电振幅不变时，对比度随着交流电的频率降低(图3c)，与Randles模型吻合，(Randles模型包括了剩余电化学反应阻抗R和界面电容C的并联，并与电解质电阻Rs的串联。)定量证明了
Figure BDA0003494977620000101
的正确性。
图4是加入污染物前后的成像对比图。
(a)为加入对硝基苯酚前后的成像对比图；
(b)为加入牛血清蛋白前后的成像对比图。
根据本发明的实施例，配制浓度为0.1mol/L，pH为9的氟化钠溶液，和浓度为20mg/L，pH为9的对硝基苯酚-氟化钠溶液，作为对照电解质溶液和模拟污染物溶液。
调试干涉反射成像系统，调节激光功率为110mA光电流，入射角度为79.7°处。
安装待测芯片与阻抗-干涉反射成像系统的样品台，并在样品池中注入氟化钠电解液。
连接三电极体系，在工作电极加上-0.2V直流电，与频率为5Hz，振动幅度为100mV的交流电。
用CCD相机记录二硫化钼薄层的干涉反射成像，采样速度为100fps，采集帧数为3000帧。
提取每组实验的典型样品区域，对光学图像的每个像素点以及典型样品区域内平均光学强度做FFT处理。
将溶液更换为pH为3的1xPBS和pH为3，浓度为30μmol/L牛血清蛋白-1xPBS溶液对照组。重复以上操作。
如图4所示，为了验证本发明提供的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法测定带电污染物分子的实用性，本发明实施例选择了对硝基苯酚和牛血清蛋白作为污染物，在直流电电压与交流电频率以及振幅均不变时，加入对硝基苯酚或牛血清蛋白后，图像中典型样品区域中有更高的对比度，FFT图像的强度略微增大。
此外，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，在制备方法中，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，包括：
将二硫化钼薄层，固定在氧化铟锡导电芯片上，向所述氧化铟锡导电芯片中加入样品液或电解质盐溶液，得到待测芯片；
将所述待测芯片放置于阻抗-干涉反射成像系统的样品台上，将所述待测芯片与三电极体系连接，利用相机采集所述待测芯片中的所述二硫化钼薄层的干涉反射成像；
提取所述干涉反射成像中的典型样品区域；
对所述干涉反射成像中的像素点以及所述典型样品区域内的平均光学强度做快速傅里叶变换处理，得到幅度信息；
将每个所述像素点的所述幅度信息进行累计，得到表面电荷分布的图像。
2.根据权利要求1所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述氧化铟锡导电芯片包括固定连接的氧化铟锡导电玻璃以及样品池；
其中，所述样品池用于存放样品液或电解质盐溶液；
所述氧化铟锡导电玻璃用于接入电流。
3.根据权利要求2所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述连接三电极体系包括参比电极、对电极和工作电极；
其中，所述参比电极与所述对电极插入所述样品池内的样品液或电解质盐溶液中；
所述工作电极与所述氧化铟锡导电玻璃相连。
4.根据权利要求3所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述参比电极、所述对电极和所述工作电极与交流电源连接，用于提供周期性电信号波动。
5.根据权利要求4所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述交流电源电压包括50～125mV。
6.根据权利要求3所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述参比电极、所述对电极和所述工作电极与所述直流电源连接，用于控制二硫化钼薄层的载流子密度。
7.根据权利要求6所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述直流电源电压包括-0.1～-0.3V。
8.根据权利要求1所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述阻抗-干涉反射成像系统包括物镜、激光源和反光镜。
9.根据权利要求1所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，所述样品液通过将检测样品溶解于所述电解质盐溶液中得到。
10.根据权利要求1所述的测定二维材料表面电荷密度分布的成像方法，其中，所述表面电荷分布的图像的成像对比度通过对所述典型样品区域内的平均光学强度进行快速傅里叶变换确定。
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