[发明专利]一种SICM的探针样品距离控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种SICM的探针样品距离控制方法及系统。方法包括：扫描前建立下降沿补偿函数模型；成像过程中记录上一像素行扫描高度，作为当前待扫描行的预测值；将探针实时位置与预测高度的差值作为参数输入到下降沿补偿函数模型，得到下降沿补偿系数；进行上升沿下降沿判断，更新得到新的电流偏差；将新的电流偏差反馈给控制器，控制压电陶瓷上下运动，使探针始终与样品保持恒距。系统包括：逼近曲线模块、下降沿补偿函数模型建立模块、行预测模块、反馈控制模块。本发明解决了逼近曲线非线性所带来的样品上升下降沿偏差不同的问题，因而可以消除SICM成像的下降沿模糊现象，与使用传统PID控制相比成像更加准确。

技术领域

本发明涉及扫描离子电导显微镜(SICM)成像技术领域，特别涉及一种SICM成像时其探针与样品间距的自适应控制方法及系统。

背景技术

扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscope:SICM)是一种在生物、医药、化学、材料等领域均得到广泛应用的扫描探针显微镜，与传统光学显微镜相比具有分辨率更高的特点，光学显微镜受光学衍射极限的限制分辨率无法达到200nm以下，而扫描探针显微镜以其探针与样品表面的相互作用作为成像依据，不受光学衍射极限的影响，分辨率可达几纳米或几十纳米；SICM与其他扫描探针显微镜相比，其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，特别适用于对柔软样品如活细胞等的观测。SICM采用一根尖端为锥形、尖端内半径约为几十到几百纳米的超微中空玻璃管作为探针，待测样品放置在灌有电解质溶液的样品皿中，探针中也灌有相同的溶液，并且在样品皿和探针中各置有一根AgCl电极，在电极两端施加电压，就会与电解质溶液共同构成电流回路，产生离子电流。当针尖与样品表面距离较远时，离子电流保持在一个恒定值，当探针距离样品足够近，针尖与样品间狭小的缝隙就会阻碍离子的流过，使离子电流减小，离子电流与探针样品的间距存在一一对应的曲线关系，因而可以用电流来表征探针与样品表面的距离。在对样品进行成像时，使探针在样品表面逐行扫过，实时监控电流的大小，通过负反馈控制探针在垂直方向的移动使离子电流维持在一个固定的值，相当于探针在样品表面保持一个恒定的高度，于是记录下探针移动的轨迹即可得到样品表面的三维形貌。

现有的SICM探针样品距离控制的方式为普通PID控制，在使用SICM对样品进行的大量成像实验中发现，SICM所成图像存在拖尾现象，表现为当采用某一PID参数时，在样品高度的上升沿处展现了样品的真实形貌，而在高度的下降沿处图像形貌比实际形貌有一定的延长，即在上升沿探针及时的跟踪到了高度的变化，而在下降沿探针跟踪样品高度变化的速度较慢。这一现象影响了SICM对样品形貌的真实反映，使得扫描图像与真实形貌存在一定的偏差。通过分析发现，拖尾现象是由电流逼近曲线的非线性引起的，逼近曲线是探针逐渐逼近样品过程中离子电流变化的曲线，扫描时以逼近曲线中最大值的95％到99％作为设定值，使电流维持在设定值不变。由于逼近曲线的非线性，对于同样的高度变化下，在样品高度的上升沿，作为反馈量的电流偏差较大，而在下降沿，电流偏差较小，此时若采用相同的PID参数就会产生不同的控制量，使得探针跟踪的速度不同，在上升沿能够快速跟踪到样品高度的变化，而在下降沿需要更长的时间才能完成对高度的跟踪，产生了拖尾现象。

发明内容

为了解决上述由逼近曲线非线性所引起的SICM成像的下降沿拖尾现问题，本发明提供了一种探针/样品间距的自适应控制方法及系统。

本发明采用的技术方案如下：一种SICM的探针与样品间距离自适应控制方法，包括以下步骤：

步骤1、扫描前建立逼近曲线，该逼近曲线为探针和样品间距离与离子电流的关系曲线；利用逼近曲线建立下降沿补偿函数模型，该模型以探针当前位置与工作点位置的Z轴压电陶瓷电压差值为输入，以下降沿补偿系数为输出；

步骤2、扫描过程中将图像上一行的扫描高度作为当前待扫描行的工作点位置；