一种sicm的幅度调制成像模式扫描装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种SICM的幅度调制成像模式扫描装置，包括信号发生器、膜片钳放大器、有效值转换电路、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷；所述信号发生器、膜片钳放大器、有效值转换电路、控制器依次连接；方法包括：信号发生器输出交流信号到膜片钳放大器；调节膜片钳放大器的补偿电容值；有效值转换电路计算出电流幅值的有效值，并将幅值有效值反馈至控制器，控制器根据该幅值有效值实时控制探针高度，实现样品的扫描。本发明使用交流电流幅值作为反馈值，因此能克服直流模式下直流漂移、易受电气噪声影响等缺点；具有比传统交流模式更高的调制频率，可实现加快扫描的目的。
【专利说明】
一种SI CM的幅度调制成像模式扫描装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低成本的快速高稳定性无损成像技术，具体地说是一种基于扫描 离子电导显微镜（SICM)技术的新型成像模式幅度调制模式的扫描装置和方法。
【背景技术】
[0002] 扫描离子电导显微镜（scanning ion conductance microscope:SICM)是扫描探 针显微镜家族中的一员，通过检测流经超微玻璃管探针的离子电流，能够在样品表面实现 非接触力扫描，进而研究样品的形貌及性质。SICM具有非力接触无损扫描，成像分辨率高， 及探针易于制备等特点，特别适合用于研究生理条件下的活体细胞。目前已有研究组对心 肌细胞、肾上皮细胞、神经细胞等活体生物样品进行纳米级别形貌观测。
[0003] 但现有SICM成像模式均存在一些缺陷。直流模式会受直流漂移、外部电气干扰影 响而没法长时间工作，因此实际工作应用较少。交流模式利用某一个振动频率的交流分量 作为反馈，稳定性得到了很大提高，但是由于反馈量的响应速度受振动频率低（l-2kHz)的 限制，扫描速度较慢。而我们组提出的扫描模式-相位调制模式，将直流驱动电压改变为交 流电压，以交流电压同相的电流分量作为反馈量，这一模式具备交流模式的高稳定性优点， 并克服了压电陶瓷振动频率低的缺点，扫描速度得到了提升。但相位调制模式必须检测跟 驱动电压同相的电流信号，因此必须依赖于锁相放大器这一较为昂贵的仪器。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种SICM的新型扫描模式-幅度调制模式的扫描装置和方法。这 一新型的扫描模式为相位调制模式的一种低成本替代方案。
[0005] 本发明采用的技术方案是：一种SICM的幅度调制成像模式扫描装置，包括信号发 生器、膜片钳放大器、有效值转换电路、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷；
[0006] 所述信号发生器、膜片钳放大器、有效值转换电路、控制器依次连接；所述膜片钳 放大器与探针连接；探针固定于Z向纳米压电陶瓷上并位于XY纳米平台上方；所述控制器 与XY纳米平台、Z向纳米压电陶瓷连接。
[0007] 所述有效值转换电路采用真有效值转换芯片，芯片的输入端与膜片钳放大器的电 流输出端连接，输出端与控制器连接。
[0008] -种SICM的幅度调制成像模式扫描方法，包括以下步骤：
[0009] 信号发生器输出交流信号，输入膜片钳放大器的外加电压端衰减10倍后作为两 电极间的驱动电压信号；
[0010]调节膜片钳放大器的补偿电容值至最优值，然后增大驱动电压信号使膜片钳放大 器输出的电流信号达到接近有效值转换电路输入限值的阈值，并输入至有效值转换电路； [0011] 有效值转换电路提取出电流信号幅值的有效值反馈至控制器，控制器根据该有效 值来保持探针尖端距离样品表面的设定高度，然后控制XY纳米平台运动，实现样品的扫 描。
[0012] 所述驱动电压信号频率为5~50kHz，幅值为10~200mV。
[0013] 所述电容补偿值为3~10pF。
[0014] 所述最优值为驱动电压信号不变、电流信号幅值有效值最小时的电容补偿值。
[0015] 本发明的优点与积极效果为：
[0016] 1、本发明使用交流电流幅值作为反馈值，因此能克服直流模式下直流漂移、易受 电气噪声影响等缺点；具有比传统交流模式更高的调制频率，可实现加快扫描的目的。
[0017] 2、成本低廉。当电容补偿（膜片钳放大器自带功能）彻底补偿，总电流Ia。约等于 同相电流I scil，此时可利用Ia。幅值的有效值来控制探针的运动。
[0018] 3、本发明的有效值转换电路能够提取总电流信号的幅值有效值，使用自制电路板 完成，是一种低成本的求有效值方法。
[0019] 4、本发明中调节电容补偿值时，采用当驱动电压信号固定时，电流信号幅值有效 值最小时的电容补偿值，这样能够使电流有效值（控制系统的控制输入信号）对距离的敏 感度最高，此时系统控制最优，扫描精度也能达到最好。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的结构原理示意图；
[0021] 图2a为本发明电容补偿过程欠补偿示意图；
[0022] 图2b为本发明电容补偿过程刚好补偿示意图；
[0023] 图2c为本发明电容补偿过程过补偿示意图；
[0024] 图3为本发明电容补偿过程反馈量Iac与距离曲线的变化示意图；
[0025] 图4为本发明幅度调节模式下的扫描结果图；
[0026] 其中（a)二维形貌图；(b)二维电流误差图；（c)二维形貌某一切面的轮廓线；（d) 三维形貌图；
[0027] 图5为有效值转换电路原理图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步详述。
[0029] 本发明为SICM的新型扫描成像模式：SICM的扫描头位于倒置光学镜（Ti-S，Nikon 公司）上，扫描头内包括三个方向的亚微米级别电动平台（9062-XYZ-PPP，New Focus公 司），XY纳米平台（P517. 3CD，PI公司），以及Z向纳米压电陶瓷驱动器（P-753. 31C，PI公 司）.XY纳米平台可承载样品XY方向纳米级别运动，范围为100 μ mX 100 μ m，而玻璃管探针 随Z向压电陶瓷纳米级别上下运动。
[0030] 如图1所示，信号发生器（AFG3022B，Tektronix公司）输出（5-50kHz)的交流信 号，信号幅值IOO-1000 mV施加到膜片钳放大器的外加电压端。膜片钳放大器设置为放大倍 数0. lmV/pA，截止滤波为IOOkHz。调节电容补偿量，电容彻底补偿后，膜片钳放大器（InmnitOT 输出端）输出的电流送给有效值转换电路后，经有效值转换电流计算出电流幅值的有效 值。该有效值作为反馈量，送给控制器上的采集卡（PCI-6251，NI公司），控制器为运行实 时化后Linux系统的电脑，控制器经过PID运算得到输出控制量，再经Z向压电陶瓷放大电 路（E504, PI公司）来输出驱动Z向压电陶瓷运动。
[0031] 图1为本发明的结构框图。膜片钳放大器接地端与浸入样品皿的电解质溶液中的 Ag/Agcl电极（参比电极）相连，探头端则与位于灌注电解质溶液的玻璃管探针中的Ag/ Agcl电极（工作电极）相连。探头端与接地端间的电路可简化为一总电阻Rsol与总电容 Ctotal并联组成，膜片钳放大器电容补偿电路由电容C_p与运算放大器组成。当电容Cranip 调节到最佳时，电流Ia。经过I-V变换器输出放大后的监视电流I _ltOT(Imonitor与Iac为 简单的比例关系）可通过有效值转换电路求出幅值进而控制探针-样品间的距离。
[0032] 图5为有效值转换电路原理图，有效值转换电路是以求有效值芯片AD536芯片作 为基础，采用双电源供电，外部电路接法可见图5。外部交流信号即监视电流I llicinitOT由AD536 的引脚1输入。再由AD536芯片内部经过计算从引脚6输出电流信号幅值的有效值。芯片内 部依次由四部分组成：求绝对值电路（ABSOLUTE VALUE)、平方除法器（SQUARER DIVIDER)、 镜像电流源（⑶RRENT MIRROR)以及输出缓冲器（BUF)组成。Rl为放大倍数调整（SCALE FACTOR ADJUST)与R4为直流偏置调整（OFFSET ADJUST)，输出信号Vtw与输入信号Vin的 关系可表示为
[0033]
[0034] Avg □为求平均值运算。
[0035] 电容Cl可对输入信号进行隔离直流处理，去除输入信号中的直流偏置。
[0036] 电容Cav可用来调节电路平均处理的时间常数，该值越大，输出有效值越稳定，但 响应时间会变长。
[0037] Rl，R4所示电路调节可用来提高对输入信号真有效值检测的准确度。
[0038] 图2a~2c为本发明的电容补偿过程示意图。如图1所示，Icomp与电容通道电 流leap相反，且均与驱动电压U a。相位正交。且Icomp的大小与Ccomp有如下关系
[0039] Iconp= I capX (Vl)Cc卿/Ctotal (1)
[0040] Icomp为补偿电流，leap为电容通道电流，A1S运算放大器的增益，Ccomp为补偿 电容值，Ctotal为电容通道的电容。从方程（1)可看出Icomp与Ccomp成正比。随着Ccomp 的值变化，电容补偿过程可分为三情况。①欠补偿②刚好补偿③过补偿。如图2b，刚好补 偿时，Icomp等于leap，此时Iac取得最小值（等于Isol);如图2a，欠补偿时，Icomp小于 leap，而Iac随着Ccomp增大而减小；相反，如图2c，过补偿时，Icomp大于leap，此时Iac 随着Ccomp增大而增大。
[0041] 图3为本发明中电容补偿过程不同补偿程度下Iac与距离的实验曲线变化，即 I Jl畐值有效值与探针/样品间距离的曲线随补偿量的变化示意图。Ccomp取值最优（为 5. 65pF)时，为刚好补偿情况，此时Iac对距离灵敏度最佳，此时可接近于Isol的灵敏度； 而当Ccomp小于或大于5. 65pF时，分别处于欠补偿与过补偿情况。欠补偿时，随着Ccomp增 大（靠近最优5. 65pF)，Iac对距离灵敏度增加。这一点可以由5. 4pF时Isol对距离灵敏度 要优于5. IpF时的情况得到验证。过补偿时，此时随着Ccomp增大（远离最优值5. 65pF)， Iac对距离灵敏度减低，6. 5pF时灵敏度优于6. 2pF情况验证了这一点。因此当Ccomp取值 最优时，Iac灵敏度最高，且随着Ccomp偏离最优值，Iac灵敏度逐渐降低。
[0042] 图4为本发明所述幅度调制模式下的扫描结果。调制频率为30kHz，电容补偿量 为6. 2pF，扫描频率0. 75Hz，反馈控制设置点为参考信号的96%。图4中（a)二维形貌图； (b)二维Iac误差图；(c)二维形貌图某一切面的轮廓线；（d)对应的三维形貌图。
[0043] 施加交流电压作为激励信号，经过电容补偿后，获取流经玻璃管探针中电流幅值 作为反馈量控制探针样品间的距离，最终实现对微纳米物体液体环境下的快速，长时间无 损高分辨率观测。
[0044] 具体步骤为：
[0045] ①信号发生器输出交流电压信号输入膜片钳放大器的外置电压端，交流电压信号 为频率为5~50kHz，幅值为10~200mV。膜片钳放大器将外加的交流电压衰减10倍后施 加到参比电极与工作电极间，两电极间会因此产生交流变化的电流信号I a。，膜片钳放大器 会通过I-V变换器放大电流信号Ia。，并输出放大后的信号I_lt"(与Iac为固定的比例关 系）给有效值转换电路。
[0046] ②调节膜片钳放大器的补偿电容值Ccomp至最优值。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；同时监视有效值转换电路输出，当输出值最小时即为 波谷时，电容补偿结束。
[0047] 所述膜片钳放大器的电容补偿值为3~10pF。当驱动电压信号保持不变时，调节 电容补偿值并同步监视电流幅值有效值，当有效值最小时电容补偿值最佳。
[0048] ③增大信号发生器输出电压进而增大驱动电压Ua。幅值，直到膜片钳放大器输出 电流I_ ltOT达到有效值转换电路的输入最大信号限值以内设定的阈值（如限值的98% )， 保El_ltOT尚未达到有效值转换电路的输入最大信号限值以免损害有效值转换电路。
[0049] ④有效值转换电路提取电流幅值的有效值量，将该有效值作为反馈量输送到控制 器的输入端，控制器内设有参考值，通过PID运算得到输出值，经过压电陶瓷功率放大电路 放大来驱动承载探针的z向压电陶瓷上下运动，最终使反馈量达到某一设定值（如参考值 的96% )，此时z向压电陶瓷的位置表征了样品在该点的形貌高度，接着XY平台带着样品 做二维平面内逐行运动，而探针沿着样品上方固定距离处起伏变化，记录下压电陶瓷的运 动轨迹则能描绘出样品的完整三维形貌图像。
[0050] 实施例一
[0051] L以宽5 μ m，深200nm的AFM标定用硅材料标准栅格（P/N 498-000-026, Digital Instruments 公司）作为母模，正面朝上，倒入 10:1 的 PDMS(Sylgard 184，Dow Corning 公 司）主剂与硬化剂搅拌均匀后的混合液；再抽真空20分钟，使得混合液无气泡；接着置于 加热板（PC-600, Corning公司）上方70°C烘焙4-5小时；最后将固化后的PDMS层从硅材 料标准栅格上撕下，此时贴近硅栅格的PDMS面将印记上与栅格互补的精细结构，如此得到 PDMS材料栅格样品。
[0052] 2.将PDMS样品有印记结构那面朝上，底面沾于Φ35πιπι培养皿中，利用微移液器将 磷酸盐缓冲液（PBS)注入培养皿中，液面超过PDMS样品表面2mm为最佳；
[0053] 3.玻璃管探针由硼硅酸盐微电极玻璃毛细管经过程控激光拉制仪（P2000/G， Sutter Instrument公司）同一程序拉制完成，尖端内半径约为75nm，玻璃管探针内灌注 PBS溶液，用手轻轻弹玻璃管的尾部几下，确保尖端无气泡，然后将Ag/Agcl电极插入其中， 另一 Ag/Agcl电极浸入培养皿中的电解质溶液中；
[0054] 4.信号发生器输出交流信号，频率为5~50kHz，幅值为100mV。而膜片钳放大器 内部将外置交流电压衰减10倍后作为驱动电压信号，施加到两Ag/Agcl电极间，两电极间 流经的电流经过放大后接入到有效值转换电路，此时电流放大增益设置为0. lmV/pA，截止 滤波设置为100kHz。将有效值转换电路输出信号输送到控制器的输入端；
[0055] 5.借助倒置显微镜CCD调节电动平台，电动平台带着探针粗逼近样品，快接近时 停止电动平台；
[0056] 6.监视有效值电路输出信号（等效于Ia。幅值有效值），并调节C _p值，使输出信 号最小时停止，接着增大Ua。；
[0057] 7.细逼近开始，具体过程为：压电陶瓷平台带着探针匀速以lOOnm/ms的速度逼近 样品，并实时监视有效值电路输出信号，直到监视信号下降到设置点（参考信号的96%)停 止。当压电陶瓷平台运动到最大行程仍未检测到变化，则压电陶瓷平台回退至初始位置，然 后电动平台下降约等于压电陶瓷行程的距离，再重复上述细逼近步骤。
[0058] 8.此时探针与样品距离约为玻璃管内半径距离。接着探针回退1 μπι左右，此时可 微调(；_使有效值电路输出信号最小。此时C _ρ达到最优值。进一步增大U 3。使13。最大 化。最终电流放大器电容补偿值为6. 2pF，施加给膜片钳放大器的交流电压幅值为1500mV， 此时驱动电压信号幅值为150mV，此时反馈量值更新为基准信号最新值。控制点设置为基准 信号的96%，调节好PID参数，玻璃管探针逼近样品后，最终以0. 75Hz的扫描速率扫描样 品，扫描范围为30 μmX30 μπι。参见图4的SICM幅度调制模式对PDMS栅格的扫描结果。
【主权项】
1. 一种SICM的幅度调制成像模式扫描装置，其特征在于：包括信号发生器、膜片钳放 大器、有效值转换电路、控制器、探针、XY纳米平台和Z向纳米压电陶瓷； 所述信号发生器、膜片钳放大器、有效值转换电路、控制器依次连接；所述膜片钳放大 器与探针连接；探针固定于Z向纳米压电陶瓷上并位于XY纳米平台上方；所述控制器与XY 纳米平台、Z向纳米压电陶瓷连接。2. 按权利要求1所述的一种SICM的幅度调制成像模式扫描装置，其特征在于：所述有 效值转换电路采用真有效值转换芯片，芯片的输入端与膜片钳放大器的电流输出端连接， 输出端与控制器连接。3. -种SICM的幅度调制成像模式扫描方法，其特征在于包括以下步骤： 信号发生器输出交流信号，输入膜片钳放大器的外加电压端衰减10倍后作为两电极 间的驱动电压信号； 调节膜片钳放大器的补偿电容值至最优值，然后增大驱动电压信号使膜片钳放大器输 出的电流信号达到接近有效值转换电路输入限值的阈值，并输入至有效值转换电路； 有效值转换电路提取出电流信号幅值的有效值反馈至控制器，控制器根据该有效值来 保持探针尖端距离样品表面的设定高度，然后控制XY纳米平台运动，实现样品的扫描。4. 按权利要求3所述的一种SICM的幅度调制成像模式扫描方法，其特征在于所述驱动 电压信号频率为5~50kHz，幅值为10~200mV。5. 按权利要求3所述的一种SICM的幅度调制成像模式扫描方法，其特征在于所述电容 补偿值为3~10pF。6. 按权利要求3所述的一种SICM的幅度调制成像模式扫描方法，其特征在于所述最优 值为驱动电压信号不变、电流信号幅值有效值最小时的电容补偿值。
【文档编号】G01Q60/44GK105842484SQ201510023158
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月15日
【发明人】刘连庆, 李鹏, 李广勇, 王越超, 杨洋, 周磊, 王栋
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所