一種sicm的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置，包括信號發(fā)生器、膜片鉗放大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器、探針、XY納米平臺和Z向納米壓電陶瓷；所述信號發(fā)生器、膜片鉗放大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器依次連接；方法包括：信號發(fā)生器輸出交流信號到膜片鉗放大器；調(diào)節(jié)膜片鉗放大器的補(bǔ)償電容值；有效值轉(zhuǎn)換電路計(jì)算出電流幅值的有效值，并將幅值有效值反饋至控制器，控制器根據(jù)該幅值有效值實(shí)時(shí)控制探針高度，實(shí)現(xiàn)樣品的掃描。本發(fā)明使用交流電流幅值作為反饋值，因此能克服直流模式下直流漂移、易受電氣噪聲影響等缺點(diǎn)；具有比傳統(tǒng)交流模式更高的調(diào)制頻率，可實(shí)現(xiàn)加快掃描的目的。
【專利說明】
一種SI CM的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種低成本的快速高穩(wěn)定性無損成像技術(shù)，具體地說是一種基于掃描 離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM)技術(shù)的新型成像模式幅度調(diào)制模式的掃描裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（scanning ion conductance microscope:SICM)是掃描探 針顯微鏡家族中的一員，通過檢測流經(jīng)超微玻璃管探針的離子電流，能夠在樣品表面實(shí)現(xiàn) 非接觸力掃描，進(jìn)而研究樣品的形貌及性質(zhì)。SICM具有非力接觸無損掃描，成像分辨率高， 及探針易于制備等特點(diǎn)，特別適合用于研究生理?xiàng)l件下的活體細(xì)胞。目前已有研究組對心 肌細(xì)胞、腎上皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等活體生物樣品進(jìn)行納米級別形貌觀測。
[0003] 但現(xiàn)有SICM成像模式均存在一些缺陷。直流模式會受直流漂移、外部電氣干擾影 響而沒法長時(shí)間工作，因此實(shí)際工作應(yīng)用較少。交流模式利用某一個(gè)振動頻率的交流分量 作為反饋，穩(wěn)定性得到了很大提高，但是由于反饋量的響應(yīng)速度受振動頻率低（l-2kHz)的 限制，掃描速度較慢。而我們組提出的掃描模式-相位調(diào)制模式，將直流驅(qū)動電壓改變?yōu)榻?流電壓，以交流電壓同相的電流分量作為反饋量，這一模式具備交流模式的高穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)， 并克服了壓電陶瓷振動頻率低的缺點(diǎn)，掃描速度得到了提升。但相位調(diào)制模式必須檢測跟 驅(qū)動電壓同相的電流信號，因此必須依賴于鎖相放大器這一較為昂貴的儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種SICM的新型掃描模式-幅度調(diào)制模式的掃描裝置和方法。這 一新型的掃描模式為相位調(diào)制模式的一種低成本替代方案。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置，包括信號發(fā) 生器、膜片鉗放大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器、探針、XY納米平臺和Z向納米壓電陶瓷；
[0006] 所述信號發(fā)生器、膜片鉗放大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器依次連接；所述膜片鉗 放大器與探針連接；探針固定于Z向納米壓電陶瓷上并位于XY納米平臺上方；所述控制器 與XY納米平臺、Z向納米壓電陶瓷連接。
[0007] 所述有效值轉(zhuǎn)換電路采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片，芯片的輸入端與膜片鉗放大器的電 流輸出端連接，輸出端與控制器連接。
[0008] -種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描方法，包括以下步驟：
[0009] 信號發(fā)生器輸出交流信號，輸入膜片鉗放大器的外加電壓端衰減10倍后作為兩 電極間的驅(qū)動電壓信號；
[0010]調(diào)節(jié)膜片鉗放大器的補(bǔ)償電容值至最優(yōu)值，然后增大驅(qū)動電壓信號使膜片鉗放大 器輸出的電流信號達(dá)到接近有效值轉(zhuǎn)換電路輸入限值的閾值，并輸入至有效值轉(zhuǎn)換電路； [0011] 有效值轉(zhuǎn)換電路提取出電流信號幅值的有效值反饋至控制器，控制器根據(jù)該有效 值來保持探針尖端距離樣品表面的設(shè)定高度，然后控制XY納米平臺運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)樣品的掃 描。
[0012] 所述驅(qū)動電壓信號頻率為5~50kHz，幅值為10~200mV。
[0013] 所述電容補(bǔ)償值為3~10pF。
[0014] 所述最優(yōu)值為驅(qū)動電壓信號不變、電流信號幅值有效值最小時(shí)的電容補(bǔ)償值。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為：
[0016] 1、本發(fā)明使用交流電流幅值作為反饋值，因此能克服直流模式下直流漂移、易受 電氣噪聲影響等缺點(diǎn)；具有比傳統(tǒng)交流模式更高的調(diào)制頻率，可實(shí)現(xiàn)加快掃描的目的。
[0017] 2、成本低廉。當(dāng)電容補(bǔ)償（膜片鉗放大器自帶功能）徹底補(bǔ)償，總電流Ia。約等于 同相電流I scil，此時(shí)可利用Ia。幅值的有效值來控制探針的運(yùn)動。
[0018] 3、本發(fā)明的有效值轉(zhuǎn)換電路能夠提取總電流信號的幅值有效值，使用自制電路板 完成，是一種低成本的求有效值方法。
[0019] 4、本發(fā)明中調(diào)節(jié)電容補(bǔ)償值時(shí)，采用當(dāng)驅(qū)動電壓信號固定時(shí)，電流信號幅值有效 值最小時(shí)的電容補(bǔ)償值，這樣能夠使電流有效值（控制系統(tǒng)的控制輸入信號）對距離的敏 感度最高，此時(shí)系統(tǒng)控制最優(yōu)，掃描精度也能達(dá)到最好。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0021] 圖2a為本發(fā)明電容補(bǔ)償過程欠補(bǔ)償示意圖；
[0022] 圖2b為本發(fā)明電容補(bǔ)償過程剛好補(bǔ)償示意圖；
[0023] 圖2c為本發(fā)明電容補(bǔ)償過程過補(bǔ)償示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明電容補(bǔ)償過程反饋量Iac與距離曲線的變化示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明幅度調(diào)節(jié)模式下的掃描結(jié)果圖；
[0026] 其中（a)二維形貌圖；(b)二維電流誤差圖；（c)二維形貌某一切面的輪廓線；（d) 三維形貌圖；
[0027] 圖5為有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0029] 本發(fā)明為SICM的新型掃描成像模式：SICM的掃描頭位于倒置光學(xué)鏡（Ti-S，Nikon 公司）上，掃描頭內(nèi)包括三個(gè)方向的亞微米級別電動平臺（9062-XYZ-PPP，New Focus公 司），XY納米平臺（P517. 3CD，PI公司），以及Z向納米壓電陶瓷驅(qū)動器（P-753. 31C，PI公 司）.XY納米平臺可承載樣品XY方向納米級別運(yùn)動，范圍為100 μ mX 100 μ m，而玻璃管探針 隨Z向壓電陶瓷納米級別上下運(yùn)動。
[0030] 如圖1所示，信號發(fā)生器（AFG3022B，Tektronix公司）輸出（5-50kHz)的交流信 號，信號幅值IOO-1000 mV施加到膜片鉗放大器的外加電壓端。膜片鉗放大器設(shè)置為放大倍 數(shù)0. lmV/pA，截止濾波為IOOkHz。調(diào)節(jié)電容補(bǔ)償量，電容徹底補(bǔ)償后，膜片鉗放大器（InmnitOT 輸出端）輸出的電流送給有效值轉(zhuǎn)換電路后，經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電流計(jì)算出電流幅值的有效 值。該有效值作為反饋量，送給控制器上的采集卡（PCI-6251，NI公司），控制器為運(yùn)行實(shí) 時(shí)化后Linux系統(tǒng)的電腦，控制器經(jīng)過PID運(yùn)算得到輸出控制量，再經(jīng)Z向壓電陶瓷放大電 路（E504, PI公司）來輸出驅(qū)動Z向壓電陶瓷運(yùn)動。
[0031] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。膜片鉗放大器接地端與浸入樣品皿的電解質(zhì)溶液中的 Ag/Agcl電極（參比電極）相連，探頭端則與位于灌注電解質(zhì)溶液的玻璃管探針中的Ag/ Agcl電極（工作電極）相連。探頭端與接地端間的電路可簡化為一總電阻Rsol與總電容 Ctotal并聯(lián)組成，膜片鉗放大器電容補(bǔ)償電路由電容C_p與運(yùn)算放大器組成。當(dāng)電容Cranip 調(diào)節(jié)到最佳時(shí)，電流Ia。經(jīng)過I-V變換器輸出放大后的監(jiān)視電流I _ltOT(Imonitor與Iac為 簡單的比例關(guān)系）可通過有效值轉(zhuǎn)換電路求出幅值進(jìn)而控制探針-樣品間的距離。
[0032] 圖5為有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖，有效值轉(zhuǎn)換電路是以求有效值芯片AD536芯片作 為基礎(chǔ)，采用雙電源供電，外部電路接法可見圖5。外部交流信號即監(jiān)視電流I llicinitOT由AD536 的引腳1輸入。再由AD536芯片內(nèi)部經(jīng)過計(jì)算從引腳6輸出電流信號幅值的有效值。芯片內(nèi) 部依次由四部分組成：求絕對值電路（ABSOLUTE VALUE)、平方除法器（SQUARER DIVIDER)、 鏡像電流源（⑶RRENT MIRROR)以及輸出緩沖器（BUF)組成。Rl為放大倍數(shù)調(diào)整（SCALE FACTOR ADJUST)與R4為直流偏置調(diào)整（OFFSET ADJUST)，輸出信號Vtw與輸入信號Vin的 關(guān)系可表示為
[0033]
[0034] Avg □為求平均值運(yùn)算。
[0035] 電容Cl可對輸入信號進(jìn)行隔離直流處理，去除輸入信號中的直流偏置。
[0036] 電容Cav可用來調(diào)節(jié)電路平均處理的時(shí)間常數(shù)，該值越大，輸出有效值越穩(wěn)定，但 響應(yīng)時(shí)間會變長。
[0037] Rl，R4所示電路調(diào)節(jié)可用來提高對輸入信號真有效值檢測的準(zhǔn)確度。
[0038] 圖2a~2c為本發(fā)明的電容補(bǔ)償過程示意圖。如圖1所示，Icomp與電容通道電 流leap相反，且均與驅(qū)動電壓U a。相位正交。且Icomp的大小與Ccomp有如下關(guān)系
[0039] Iconp= I capX (Vl)Cc卿/Ctotal (1)
[0040] Icomp為補(bǔ)償電流，leap為電容通道電流，A1S運(yùn)算放大器的增益，Ccomp為補(bǔ)償 電容值，Ctotal為電容通道的電容。從方程（1)可看出Icomp與Ccomp成正比。隨著Ccomp 的值變化，電容補(bǔ)償過程可分為三情況。①欠補(bǔ)償②剛好補(bǔ)償③過補(bǔ)償。如圖2b，剛好補(bǔ) 償時(shí)，Icomp等于leap，此時(shí)Iac取得最小值（等于Isol);如圖2a，欠補(bǔ)償時(shí)，Icomp小于 leap，而Iac隨著Ccomp增大而減?。幌喾?，如圖2c，過補(bǔ)償時(shí)，Icomp大于leap，此時(shí)Iac 隨著Ccomp增大而增大。
[0041] 圖3為本發(fā)明中電容補(bǔ)償過程不同補(bǔ)償程度下Iac與距離的實(shí)驗(yàn)曲線變化，即 I Jl畐值有效值與探針/樣品間距離的曲線隨補(bǔ)償量的變化示意圖。Ccomp取值最優(yōu)（為 5. 65pF)時(shí)，為剛好補(bǔ)償情況，此時(shí)Iac對距離靈敏度最佳，此時(shí)可接近于Isol的靈敏度； 而當(dāng)Ccomp小于或大于5. 65pF時(shí)，分別處于欠補(bǔ)償與過補(bǔ)償情況。欠補(bǔ)償時(shí)，隨著Ccomp增 大（靠近最優(yōu)5. 65pF)，Iac對距離靈敏度增加。這一點(diǎn)可以由5. 4pF時(shí)Isol對距離靈敏度 要優(yōu)于5. IpF時(shí)的情況得到驗(yàn)證。過補(bǔ)償時(shí)，此時(shí)隨著Ccomp增大（遠(yuǎn)離最優(yōu)值5. 65pF)， Iac對距離靈敏度減低，6. 5pF時(shí)靈敏度優(yōu)于6. 2pF情況驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此當(dāng)Ccomp取值 最優(yōu)時(shí)，Iac靈敏度最高，且隨著Ccomp偏離最優(yōu)值，Iac靈敏度逐漸降低。
[0042] 圖4為本發(fā)明所述幅度調(diào)制模式下的掃描結(jié)果。調(diào)制頻率為30kHz，電容補(bǔ)償量 為6. 2pF，掃描頻率0. 75Hz，反饋控制設(shè)置點(diǎn)為參考信號的96%。圖4中（a)二維形貌圖； (b)二維Iac誤差圖；(c)二維形貌圖某一切面的輪廓線；（d)對應(yīng)的三維形貌圖。
[0043] 施加交流電壓作為激勵信號，經(jīng)過電容補(bǔ)償后，獲取流經(jīng)玻璃管探針中電流幅值 作為反饋量控制探針樣品間的距離，最終實(shí)現(xiàn)對微納米物體液體環(huán)境下的快速，長時(shí)間無 損高分辨率觀測。
[0044] 具體步驟為：
[0045] ①信號發(fā)生器輸出交流電壓信號輸入膜片鉗放大器的外置電壓端，交流電壓信號 為頻率為5~50kHz，幅值為10~200mV。膜片鉗放大器將外加的交流電壓衰減10倍后施 加到參比電極與工作電極間，兩電極間會因此產(chǎn)生交流變化的電流信號I a。，膜片鉗放大器 會通過I-V變換器放大電流信號Ia。，并輸出放大后的信號I_lt"(與Iac為固定的比例關(guān) 系）給有效值轉(zhuǎn)換電路。
[0046] ②調(diào)節(jié)膜片鉗放大器的補(bǔ)償電容值Ccomp至最優(yōu)值。即保持參比電極與工作電極 間的驅(qū)動電壓不變，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容值；同時(shí)監(jiān)視有效值轉(zhuǎn)換電路輸出，當(dāng)輸出值最小時(shí)即為 波谷時(shí)，電容補(bǔ)償結(jié)束。
[0047] 所述膜片鉗放大器的電容補(bǔ)償值為3~10pF。當(dāng)驅(qū)動電壓信號保持不變時(shí)，調(diào)節(jié) 電容補(bǔ)償值并同步監(jiān)視電流幅值有效值，當(dāng)有效值最小時(shí)電容補(bǔ)償值最佳。
[0048] ③增大信號發(fā)生器輸出電壓進(jìn)而增大驅(qū)動電壓Ua。幅值，直到膜片鉗放大器輸出 電流I_ ltOT達(dá)到有效值轉(zhuǎn)換電路的輸入最大信號限值以內(nèi)設(shè)定的閾值（如限值的98% )， 保El_ltOT尚未達(dá)到有效值轉(zhuǎn)換電路的輸入最大信號限值以免損害有效值轉(zhuǎn)換電路。
[0049] ④有效值轉(zhuǎn)換電路提取電流幅值的有效值量，將該有效值作為反饋量輸送到控制 器的輸入端，控制器內(nèi)設(shè)有參考值，通過PID運(yùn)算得到輸出值，經(jīng)過壓電陶瓷功率放大電路 放大來驅(qū)動承載探針的z向壓電陶瓷上下運(yùn)動，最終使反饋量達(dá)到某一設(shè)定值（如參考值 的96% )，此時(shí)z向壓電陶瓷的位置表征了樣品在該點(diǎn)的形貌高度，接著XY平臺帶著樣品 做二維平面內(nèi)逐行運(yùn)動，而探針沿著樣品上方固定距離處起伏變化，記錄下壓電陶瓷的運(yùn) 動軌跡則能描繪出樣品的完整三維形貌圖像。
[0050] 實(shí)施例一
[0051] L以寬5 μ m，深200nm的AFM標(biāo)定用硅材料標(biāo)準(zhǔn)柵格（P/N 498-000-026, Digital Instruments 公司）作為母模，正面朝上，倒入 10:1 的 PDMS(Sylgard 184，Dow Corning 公 司）主劑與硬化劑攪拌均勻后的混合液；再抽真空20分鐘，使得混合液無氣泡；接著置于 加熱板（PC-600, Corning公司）上方70°C烘焙4-5小時(shí)；最后將固化后的PDMS層從硅材 料標(biāo)準(zhǔn)柵格上撕下，此時(shí)貼近硅柵格的PDMS面將印記上與柵格互補(bǔ)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，如此得到 PDMS材料柵格樣品。
[0052] 2.將PDMS樣品有印記結(jié)構(gòu)那面朝上，底面沾于Φ35πιπι培養(yǎng)皿中，利用微移液器將 磷酸鹽緩沖液（PBS)注入培養(yǎng)皿中，液面超過PDMS樣品表面2mm為最佳；
[0053] 3.玻璃管探針由硼硅酸鹽微電極玻璃毛細(xì)管經(jīng)過程控激光拉制儀（P2000/G， Sutter Instrument公司）同一程序拉制完成，尖端內(nèi)半徑約為75nm，玻璃管探針內(nèi)灌注 PBS溶液，用手輕輕彈玻璃管的尾部幾下，確保尖端無氣泡，然后將Ag/Agcl電極插入其中， 另一 Ag/Agcl電極浸入培養(yǎng)皿中的電解質(zhì)溶液中；
[0054] 4.信號發(fā)生器輸出交流信號，頻率為5~50kHz，幅值為100mV。而膜片鉗放大器 內(nèi)部將外置交流電壓衰減10倍后作為驅(qū)動電壓信號，施加到兩Ag/Agcl電極間，兩電極間 流經(jīng)的電流經(jīng)過放大后接入到有效值轉(zhuǎn)換電路，此時(shí)電流放大增益設(shè)置為0. lmV/pA，截止 濾波設(shè)置為100kHz。將有效值轉(zhuǎn)換電路輸出信號輸送到控制器的輸入端；
[0055] 5.借助倒置顯微鏡CCD調(diào)節(jié)電動平臺，電動平臺帶著探針粗逼近樣品，快接近時(shí) 停止電動平臺；
[0056] 6.監(jiān)視有效值電路輸出信號（等效于Ia。幅值有效值），并調(diào)節(jié)C _p值，使輸出信 號最小時(shí)停止，接著增大Ua。；
[0057] 7.細(xì)逼近開始，具體過程為：壓電陶瓷平臺帶著探針勻速以lOOnm/ms的速度逼近 樣品，并實(shí)時(shí)監(jiān)視有效值電路輸出信號，直到監(jiān)視信號下降到設(shè)置點(diǎn)（參考信號的96%)停 止。當(dāng)壓電陶瓷平臺運(yùn)動到最大行程仍未檢測到變化，則壓電陶瓷平臺回退至初始位置，然 后電動平臺下降約等于壓電陶瓷行程的距離，再重復(fù)上述細(xì)逼近步驟。
[0058] 8.此時(shí)探針與樣品距離約為玻璃管內(nèi)半徑距離。接著探針回退1 μπι左右，此時(shí)可 微調(diào)(；_使有效值電路輸出信號最小。此時(shí)C _ρ達(dá)到最優(yōu)值。進(jìn)一步增大U 3。使13。最大 化。最終電流放大器電容補(bǔ)償值為6. 2pF，施加給膜片鉗放大器的交流電壓幅值為1500mV， 此時(shí)驅(qū)動電壓信號幅值為150mV，此時(shí)反饋量值更新為基準(zhǔn)信號最新值?？刂泣c(diǎn)設(shè)置為基準(zhǔn) 信號的96%，調(diào)節(jié)好PID參數(shù)，玻璃管探針逼近樣品后，最終以0. 75Hz的掃描速率掃描樣 品，掃描范圍為30 μmX30 μπι。參見圖4的SICM幅度調(diào)制模式對PDMS柵格的掃描結(jié)果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置，其特征在于：包括信號發(fā)生器、膜片鉗放 大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器、探針、XY納米平臺和Z向納米壓電陶瓷； 所述信號發(fā)生器、膜片鉗放大器、有效值轉(zhuǎn)換電路、控制器依次連接；所述膜片鉗放大 器與探針連接；探針固定于Z向納米壓電陶瓷上并位于XY納米平臺上方；所述控制器與XY 納米平臺、Z向納米壓電陶瓷連接。2. 按權(quán)利要求1所述的一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描裝置，其特征在于：所述有 效值轉(zhuǎn)換電路采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片，芯片的輸入端與膜片鉗放大器的電流輸出端連接， 輸出端與控制器連接。3. -種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描方法，其特征在于包括以下步驟： 信號發(fā)生器輸出交流信號，輸入膜片鉗放大器的外加電壓端衰減10倍后作為兩電極 間的驅(qū)動電壓信號； 調(diào)節(jié)膜片鉗放大器的補(bǔ)償電容值至最優(yōu)值，然后增大驅(qū)動電壓信號使膜片鉗放大器輸 出的電流信號達(dá)到接近有效值轉(zhuǎn)換電路輸入限值的閾值，并輸入至有效值轉(zhuǎn)換電路； 有效值轉(zhuǎn)換電路提取出電流信號幅值的有效值反饋至控制器，控制器根據(jù)該有效值來 保持探針尖端距離樣品表面的設(shè)定高度，然后控制XY納米平臺運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)樣品的掃描。4. 按權(quán)利要求3所述的一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描方法，其特征在于所述驅(qū)動 電壓信號頻率為5~50kHz，幅值為10~200mV。5. 按權(quán)利要求3所述的一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描方法，其特征在于所述電容 補(bǔ)償值為3~10pF。6. 按權(quán)利要求3所述的一種SICM的幅度調(diào)制成像模式掃描方法，其特征在于所述最優(yōu) 值為驅(qū)動電壓信號不變、電流信號幅值有效值最小時(shí)的電容補(bǔ)償值。
【文檔編號】G01Q60/44GK105842484SQ201510023158
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月15日
【發(fā)明人】劉連慶, 李鵬, 李廣勇, 王越超, 楊洋, 周磊, 王棟
【申請人】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所