[发明专利]跳跃式多分辨率扫描探针显微镜

说明书

技术领域

这项发明是应用在扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope)，以下简称扫描显微镜。它包括：扫描电子探针显微镜(Scanning Ion Conductance Microscope)，原子力探针显微镜(Atomic Force Microscope)，扫描通道探针显微镜(Scanning Tunnelling Microscope)。

背景技术

光学显微镜是目前比较普遍应用的，也是实验室里量基本的一种观察仪器。但是由于光的衍射，它的成像精度被限制在200-250纳米之间，对于细胞组织的观察，其分辨率还不够精确。另外一种方法是采用电子显微镜，其成像精度能够达到1纳米，但是缺点是要在真空下扫描，细胞要在扫描之前被固定或者在其表面镀金，从而杀死活细胞。所以在现有条件下传统的电子显微镜是无法被用来扫描活细胞的。目前许多对活细胞的成像和测量方法是基于扫描探针技术，即使用一种锋利的探针在距离样品表面的非常近的距离上(小于50纳米)或直接接触下进行扫描。扫描显微镜的工作原理是把探针和样品表面产生的相互作用(化学或物理作用)作为样品表面特性的函数，从而来绘制出样品表面的轮廓或纹理(详情请参考Hansma et al.Science 243：641-3)。扫描显微镜的特点是能够在室温下和大气压下扫描浸泡在生理溶液中的活细胞。但是探针也同样会对细胞表面进行干扰，例如探针的压力迫使细胞表面塌陷或破损，从而在成像的过程中造成不真实或错误的影像。活细胞在此状态下扫描的也是受压迫的，而非是自然态下的。细胞都是生命体的重要组成部分，无论是动物还是植物。对自然态下细胞的结构和性质的研究，可以使我们对生物体中的最基本的生命活动进行了解。这就需要有一种技术能够在实时的，非入侵性(非毁灭性的)的和在溶液中扫描自然态下的活细胞，这也就是本项发明的初始目的和最终所实现的。几种通常被用来观察活细胞的并且分辨率在50纳米以下的扫描显微镜是：原子力显微镜(Aromic Force Microscope)和电子探针扫描显微镜(Scanning Ion Conductance Microscope)。原子力显微镜是目前最广泛的被用来扫描活细胞的一种扫描显微镜。它工作的原理是测量探针和样品表面之间的原子作用力。在扫描过程中，通过维持探针和样品之间的作用力恒定，可以使探针沿着样品表面扫描，最终勾画出样品的纹理(图像)。但是同时原子力显微镜也会在细胞表面产生作用力，使非常柔软的细胞膜踏陷，从而无法扫描自然条件下的柔软细胞。另外在使用时，由于探针和细胞表面之间的直接接触或紧密的相互作用，原子力显微镜探针通常会被污染和磨损，同时也会造成细胞表面的机械损伤。电子探针扫描显微镜是也是一种扫描显微镜(详情请参考Hansma et al.Science 243：641-3)，它比原子力显微镜更适用于扫描活细胞。对比原子力显微镜，它的主要优点是可以迅速的获取高清晰(分辨率小于10纳米)的自然态下的柔软细胞的图像。因为其探针并不和样品表面接触，也就不会对样品表面产生任何的作用力更不会造成机械损伤。电子探针扫描显微镜是用一种注有电解液或生理溶液的玻璃纳米管作为其探针，来扫描浸泡在生理溶液中的活细胞(如图1)。玻璃纳米管的材料是硼硅或者石英，其纳米管尖端部是一个成45度-60度的圆锥。硼硅纳米管管口(即圆锥的锥尖)的外直径是200纳米，内直径是100纳米。石英纳米管管口的外直径是20纳米，内直径是10纳米。两个镀银/氯化银的电极被分别放置在纳米管中和放置样品的溶液中，当把一定的电压加载在两个电极上，溶液中的带电离子就会经过纳米管管口涌向两个电极，从而产生了电流。当纳米管管口距离样品表面远远大于其内部半径时，溶液中的离子可以自由的通过纳米管管口。当纳米管管口距离样品表面相当于其内部半径时(50纳米)，一部分从管口游动出来的离子会被细胞表面所阻挡，从而无法到达电极，于是产生的电流就减小了。所以电流的大小与纳米管管口和样品表面之间的距离成正比函数。其反馈控制系统是在扫描时维持电流的恒定，所以当电流减小的时候也就意味着纳米管和样品之间的距离变小了，于是反馈系统会提升纳米管的高度来维持恒定的电流(即调制模式modulation/AC control mode)，从而来维持恒定的间距。所以在通常的扫描情况下，纳米管与样品之间的距离被始终维持在50纳米，纳米管从不接触样品。纳米管横向地逐行扫描细胞(如图2)。在同一个扫描的区域上，只应用一种预设的的单一的扫描精度(分辨率)。

发明内容