[发明专利]一种SICM的相位调制成像模式扫描装置和方法

说明书

本发明涉及一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，包括信号发生器、锁相放大器、膜片钳放大器、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、锁相放大器、控制器依次连接；所述信号发生器与锁相放大器连接，膜片钳放大器与探针连接；方法包括：信号发生器输出两路交流信号分别至锁相放大器、膜片钳放大器；调节膜片钳放大器的补偿电容值；锁相放大器提取电流分量，并将幅值反馈至控制器，控制器根据该幅值实时控制探针高度，实现样品的扫描。本发明仅提取某一频率下的交流分量作为反馈值，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，因此可实现加快扫描的目的。

技术领域

本发明涉及一种新型的微纳米级别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-相位调制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)已经广泛应用于生物、化学、材料等多个领域，尤其在活细胞成像方面由于其独特的无损、非力接触等成像特点成为研究者的有力工具。SICM是扫描探针显微镜家族中的一员，但不同于其他扫描探针显微镜，其依靠流经超微玻璃管探针中的电流随探针样品间距离不同而变化，扫描时探针与样品能保持数十nm的距离，这时探针对样品无力的作用，样品不会发生形貌失真甚至损坏等现象，因此是一项真正无损、高保真的扫描技术，尤其适用对活细胞等柔软样品进行扫描。SICM采用尖端内半径为数十nm到数百nm的超微中空玻璃管作为扫描探针。两个Ag/Agcl电极一根作为参比电极，置于内装有电解质溶液的超微玻璃管探针中，另一端作为工作电极，置于含有电解质溶液的样品皿中，两个电极在外加偏置电压驱使下产生回路电流。当超微玻璃管探针靠近样品表面时(一般为玻璃管尖端内半径左右)，随着距离的靠近，由于容许离子流过的空间缩减，回路电流会急剧减少。依据这一距离/电流曲线关系，实时监测回路电流的变化量，并通过负反馈控制量上下调节玻璃管探针使电流维持在设定恒定值，此时探针的位置可用来表征样品在该点的高度。逐行对样品扫描则可得到整个样品的三维形貌图像。

现有SICM存在众多扫描方式。直流模式是出现最早也是最简单的控制方式，它利用直流电流作为反馈量来保证扫描过程中探针与样品的距离恒定。该模式扫描速度快，低于5分钟便可获得一幅图像，但该模式下实际工作中存在一些问题，如长时间工作时会出现直流漂移现象，以及易受电气噪声影响等。交流模式则能较好的解决上述问题，驱动探针在z方向高频小幅振动，从而产生交变电流信号，将与驱动信号同频的电流幅值作为反馈控制量。但交流模式振动频率受压电陶瓷性能限制，最快振动频率1～2kHz，影响了电流幅值的获取速度，从而降低了扫描速度。交流模式下扫描一幅图像时间为15～30分钟。跳跃模式特别适合扫描高度变化剧烈的样品，但同样存在扫描速度慢的缺点，一幅图像需15分钟以上。

发明内容

为了改善上述扫描速度慢及长时间工作时系统稳定差等不足，本发明提出了一种基于SICM系统的新型扫描成像模式-相位调制模式的扫描装置和方法。

本发明采用的技术方案是：

一种SICM的相位调制成像模式扫描装置，包括信号发生器、锁相放大器、膜片钳放大器、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、锁相放大器、控制器依次连接；所述信号发生器与锁相放大器连接，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。

所述信号发生器的两个输出端分别与锁相放大器的参考信号端、膜片钳放大器的外加电压端连接。

所述膜片钳放大器的电流输出端与锁相放大器的信号端连接。

一种SICM的相位调制成像模式扫描方法，其特征在于包括以下步骤：