[发明专利]非接触生物探测扫描纳米玻璃探针显微镜及其工作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于生物学探测用扫描探针显微镜技术领域，特别是指一种在生 理培养液体中非接触式实时探测活体生物样品的扫描纳米玻璃探针显微镜技 术，即一种非接触生物探测扫描纳米玻璃探针显微镜及其工作方法。

(二)背景技术：

随着纳米技术的飞速发展，高分辨率地实时探测活体生物样品一直以来 都是纳米生物医学专家，尤其是那些从事纳米尺度生物样品显微成像的专家 们所必需面对的技术挑战。普通光学显微镜由于受到光学衍射极限的限制， 其用于生物样品探测的最高分辨率很难突破250纳米。电镜尽管具有足够高 的分辨率，但需要对生物样品进行固化和特别处理以实现样品的导电性，这 势必会改变、甚至破坏样品表面的微观结构，因此不适合活体生物样品的实 时观测。

1981年美国IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室，研制出了世界上第一台 具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(scanning tunnelling microscopy，STM)， 并带来了纳米技术的迅猛发展，成为了人类认识微观世界的有力工具。近年 来，在STM的原理与结构的基础上，相继产生了一系列利用探针与样品的不 同相互作用来探测纳米尺度下表面或界面性质的扫描探针显微镜技术 (scanning probe microscopy，SPM)。为了弥补STM只限于观测导体和半导 体表面结构的缺陷，Binnig等人发明了原子力扫描探针显微镜技术(atomic force microscopy，AFM)^[1]。AFM是一种专为研究非导电样品而设计的基于 STM控制技术的SPM，它通过探测探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生 极其微弱的相互作用力，并利用该原子之间作用力的微弱变化来负反馈控制 探针在样品表面扫描。AFM因采用轻敲模式(Tapping mode)克服了接触模式 的某些不足，使高分辨率研究活体生物样品成为可能^[2]。由于AFM显微镜技术 利用探针与生物样品表面间的作用力为负反馈控制来进行扫描，AFM扫描过程 中需要探针与生物样品表面进行或多或少的接触，即使是探针与生物样品表 面间的轻微接触也会对样品细胞活性及表面微结构产生或多或少的影响^[3]。国 内一些单位也逐步尝试用非接触模式的AFM来探测生物样品，控制探针在样 品表面上方一定距离处扫描且始终不与样品表面接触，因而针尖不会对样品 造成污染或产生破坏，避免了轻敲模式中遇到的一些问题。然而，在非接触 模式下，虽然采用针尖振动调制控制可以增加AFM显微镜的灵敏度，但相对 较长的针尖-样品间距使得分辨率要低于轻敲模式。加之在实际操作中，由于 针尖很容易被样品表面吸附气体的表面压吸附到样品表面，造成图像数据的 不稳定和对样品的损坏，使非接触模式的AFM操作及在液体中成像比较困难， 因而不能适应柔软活体细胞在生理状态下进行实时探测的需要。

1989年，加州大学的Hansma教授利用扫描探针显微镜的负反馈控制技术， 用玻璃微探针作为扫描探针设计出了非接触式的扫描离子电导显微镜技术 (scanning ion conductance microscopy，SICM)^[4]。但是由于当时负反馈控 制方法及精确定位技术的局限与不足，纤细的玻璃微滴管探针在扫描时经常 意外地与样品表面接触并导致针尖或样品的毁损，所以扫描离子电导显微镜 技术在其发明后的很长一段时间仅适用于平坦的PET薄膜的扫描成像。1997 年英国伦敦帝国理工学院的Korchev教授对扫描离子电导探针显微镜的负反 馈控制等技术进行重大改进后，使该显微镜技术实现了对活体生物样品表面 结构的非接触三维实时探测^[5]，并逐步成为纳米生物医学研究领域具有发展潜 力及应用前景的一种扫描探针显微镜技术^[6]。扫描离子电导显微镜技术与目前 使用的用于生物样品探测的其它显微镜技术相比，具有以下特点：非接触式 探测，样品制备简单，可以直接用于生理液态培养环境下活体生物样品表面 微观结构的高分辨率实时探测。