[发明专利]一种SICM的正交幅值扫描成像模式的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的微纳米级别的快速高质量无损液态环境下的成像技术，具体地说是一种基于扫描离子电导显微镜(SICM)的新型成像模式-正交幅值扫描成像模式的装置和方法。

背景技术

目前，扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscope:SICM)已经广泛应用众多领域，如材料、化学、生物等，尤其在针对软表面样品(如活体细胞)，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是一种扫描探针显微技术，通过测定超微玻璃管内探针的离子电流调控探针与样品的距离，以非接触方式扫描样品表面，进而获取样品的形貌及性质。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。通过两根分别置于玻璃管探针中和含有电解质溶液的样品皿中的Ag/Agcl线将驱动电压加载到玻璃管探针上，并产生回路电流。当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)，随着间距的缩短，由于容许离子流过的空间缩减，回路电流会急剧减小。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，如会出现直流漂移现象，易受电气噪声影响等。交流模式则能较好的解决上述问题，它是驱动探针在z方向小幅振动，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。上述扫描方式都无法同时满足快速与高质量扫描成像需求。

发明内容

为了解决上述当前扫描方式无法同时满足快速与高质量扫描成像需求的技术难点，本发明提出了一种基于SICM的新型扫描成像模式-正交幅值扫描成像模式的装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种SICM的正交幅值扫描成像模式的装置，包括：顺序连接的电压驱动单元、电流检测单元、机构执行单元；

电压驱动单元：用于输出交流基准电压信号，驱动电流检测单元采集探针位置；

电流检测单元：用于通过膜片钳放大器检测玻璃管电极中的电流值并转换为电压、放大输出到锁相放大器中，由锁相放大器检测与基准电压信号同频正交分量幅值反馈至机构执行单元；

机构执行单元：用于将正交分量幅值作为实测值，通过Z向和XY双向两个独立的纳米运动平台及其控制器，控制探针与样品之间的相对位置。

所述电压驱动单元为信号发生器。

所述电流检测单元包括膜片钳放大器、锁相放大器、玻璃管探针、参考电极；

所述膜片钳放大器的外电压输入端口与信号发生器第一输出端口连接，探头信号端与玻璃管探针连接，探头地端口与置于溶液中的参考电极连接，I_monitor端口与锁相放大器的信号输入端口连接；

所述锁相放大器的参考信号端与信号发生器第二输出端口连接，Y输出端与机构执行单元连接。

所述机构执行单元包括PID控制器、人机交互界面、XYZ三轴纳米运动平台控制器、Z向纳米运动平台和XY双向纳米运动平台；

所述PID控制器的电压采集输入接收锁相放大器的Y输出端输出的电压，设定值输入接收人机交互界面输出的设定值，PID控制器输出控制电压至XYZ三轴纳米运动平台控制器用于闭环控制玻璃管探针的Z向运动；

所述人机交互界面的X、Y、Z向控制端分别与XYZ三轴纳米运动平台控制器的X、Y、Z向输入端连接，用于开环控制样品的XY方向运动和玻璃管探针的Z向运动；

所述XYZ三轴纳米运动平台控制器的X、Y向输出端与XY双向纳米运动平台的X、Y向输入端连接，Z向输出端与Z向纳米运动平台输入端连接。

一种SICM的正交幅值扫描成像模式的方法，包括以下步骤：

1)信号发生器输出两路同频交流信号，一路通过膜片钳放大器衰减后、加载在玻璃管电极上作为驱动电压，另一路输入到锁相放大器参考信号端；

2)由锁相放大器获取膜片钳放大器输出交流信号的正交分量幅值；