实时基线确定的力测量制造技术

一种原子力显微镜(AFM)及其方法，提供较小力的(sub‑20pN)AFM控制，并提供力学性能测试。优选实施例采用实时的虚假偏转修正/辨别，通过适应性地修改驱动倾斜来符合偏转伪影。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交互参照依据35USC§119(e)，本专利技术作为正式申请，请求2013年12月7日提交的题为“实时基线确定的力测量”的美国临时专利申请No.61/913,248的优选权。该申请主题的全部内部被纳入此处作为参考。专利技术背景
本专利技术的优选实施例涉及一种用于执行力测量的装置和方法，更具体地说，用于感应针尖与样品交互力的改进的探针显微镜，该探针显微镜可在感兴趣的针尖与样品作用力和虚假作用力信号之间提供实时辨别，即，典型的力谱或力分布实验中的偏转伪影。相关技术说明力谱涉及一种使探针接近样品并从样品缩回探针的控制方式，测量探针与样品的不同距离。在整个过程中监测交互力或相关的可观察交互。在接近和缩回期间力作为针尖与样品距离的功能，涉及力谱或力曲线。力谱一直以来是研究人员使用的主要方法，通过范围广泛的牵拉(分子被拉伸且观察展开或结合力)、压痕(探针被压入至表面，且观察样品的弹性，塑料性能或蠕变性能)、以及刮痕(探针被压入至样品，然后横向移动来研究磨损和涂层附着力)等技术来研究范围广泛的样品。针对这些子技术的每一个，专用仪器已被开发，例如用于牵拉的光学镊子或磁珠，用于压痕的专用纳米压痕仪，以及自动刮痕测试器。在这方面，随着纳米技术的发展，从而可针对范围广泛的单分子样品进行机械性实验，由此，基础分子交互可直接被研究。通过近似pico-Newtons(pN＝10-12N)的力敏感性，一种被称为原子力显微镜(AFM)的特殊类型的扫描探针显微镜(SPM)，提供优秀的工具来探测表面之间的基础力交互。原子力显微镜被用来探测探针和样品之间的力的性质，用于许多类型的交互力(被命名为范德瓦尔斯和静电力)，且优点在于该技术使用时不要求针尖或样品为导电的。一些示例性的绝缘和导电样品被研究，包括类似氮化硅的材料、金刚石、氧化铝、云母、玻璃、石墨、和各种有机材料。其他应用包括粘附、摩擦、和磨损的研究，包括亲水性硅、非晶碳、和润滑的二氧化硅表面上的毛细凝聚形成或抑制。对于生物分子，力通常是重要的功能和结构参数。在类似DNA复制，蛋白质合成，和药物交互等的生物过程中，很大程度上受分子间作用力支配。然而，这些力非常小。通过pico-Newton的力敏感性，采用SPM来分析这些交互。在这方面，SPM通常被用来生成力曲线，提供特别有用的信息来分析非常小的样品(与个体分子一样小)或是具高度细节的大样品。有关结构、功能、和力之间的关系的知识逐步形成，因此，特别是使用SPM的单分子力谱，已成为全能型的分析工具，用于研究单个生物分子在其原生环境中的结构和功能。例如，SPM的力谱被用来测量不同受体-配体系统的结合力，观察蛋白质结构域的可逆性展开，研究原子间键合翻转水平的多聚糖弹性。此外，分子马达和其功能、DNA力学、以及DNA结合剂的操作，类似药物中的蛋白质也可被观察。此外，SPM能够针对生物标本进行纳米机械性测量(例如弹性)，从而提供类似细胞和蛋白质动力学课题的数据。原子力显微镜力测量的另一主要应用是材料科学，其研究纳米尺寸薄膜和感兴趣集群的机械性能。例如，类似不断被缩小的集成电路的微结构，从大多数材料的已知性能中预测薄膜的机械行为变得越来越不准确。因此，不断需要更快的计算机和更大容量的存储器和储存装置来理解金属和其他常用材料的纳米力学变得越来越重要。为了理解与使用原子力显微镜的实验相关的问题，有益的方法是检查原子力显微镜本身。原子力显微镜是一种通常使用尖锐的针尖和较低的力来使样品表面特征化至原子尺寸的装置。除了类似形貌成像的表面特征成像以外，原子力显微镜可探测样品及其表面的纳米机械性和其他基本属性。此外，原子力显微镜的应用延伸至测量胶体力、监测个体蛋白质中的酶活性、以及分析DNA力学的应用范围。在原子力显微镜中，探针的针尖被引入至样品的表面，来检测样品特征中的变化。在针尖和样品之间提供相对的扫描移动，从而可在样品的特定区域获得表面特征数据，并且可以生成对应的样品表面映射。在此应注意，SPM还包括类似分子力探针(MFPs)的装置，同样使用探针来使样品性质特征化，但不扫描。在原子力显微镜的一个应用中，样品或探针垂直地相对于样品的表面被上下转换，以响应与探针的悬臂运动相关的信号，整个表面被扫描来保持特定的成像参数(例如，保持设定点的振荡幅度)。在这种方式中，与该垂直运动相关的反馈数据可以被储存，然后用来构造样品表面图像，与被测量的样品特征相对应，例如，表面形貌。其他类型的图像直接从检测的悬臂运动或改型的信号(即，偏转、振幅、相位，摩擦等)中被生成，并由此通常可提供互补信息至形貌图像。原子力显微镜的关键元件是探针。探针由微观悬臂构成，典型长度为10-1000微米，以及弹簧常数为0.001-1000N/m。悬臂被固定在其基座上，通过其自由端附近的针尖与样品交互。为了使测量局部化，原子力显微镜探针通常具有非常尖锐的尖顶(直径为几纳米以下)。通过在表面上扫描横向，该尖锐的针尖可实现高分辨率的形貌映射(通常选择用于力谱的兴趣区域)和材料特性，但相比较大的针尖更脆弱。力的范围通常可根据与针尖连接的悬臂刚度(弹簧常数)被应用或观察。为了存取不同范围的力，用户仅需改变探针。原子力显微镜的第二个关键元件是微定位器或扫描仪，使悬臂基座和样品之间的相对位置被控制。针尖和样品的相对位置可以通过移动探针、样品、或上述两者的结合被控制。大多数的原子力显微镜扫描仪可在三维中控制针尖与样品的相对位置，可以是垂直于样品表面或大致与其平行。在典型的力谱倾斜操作中，针尖相对于样品表面被移动(通常朝向表面)，直到满足一定的力或偏转触发阈值，此时系统自动采取动作，例如改变运动方向或速度。另外，其他一些测量的变量(振幅、相位、偏转、电流、变形、侧向力等)可被用来代替力且“Z”和/或其他系统可控制参数被调整(不同速率的倾倾斜、横向移动来刮痕，施加电偏置至针尖或样品、改变驱动振幅或频率等)应注意，范围广泛的力(几pN至几μN)可与原子力显微镜一起使用，使其在所有这些技术中被采用。此外，基于原子力显微镜的力谱可针对导电或非导电的样品在空气、液体、真空中进行，并且在广泛的温度范围内。这些特征使其在类似范德瓦尔斯的分子间作用力的性质，以及有关粘合、摩擦，磨损，塑性蠕变，粘弹性和弹性的分子折叠研究中被采用。如上所述，当针尖接近样品和从样品表面上的点缩回时，简单的力曲线记录探针的针尖上的力，力的值经探针悬臂的偏转被表示。已知的弹簧常数，悬臂的变节可经胡克定律被直接转换成交互力。更复杂的测量被称为“力分布”，经上述的整个样品区获得的一组力曲线被定义。每个力曲线在样品表面上唯一的X-Y位置处被测量，且与X-Y点阵列相关的曲线与力数据的三维阵列或分布相结合。分布中点处的力值是位置(x，y，z)处探针的偏转。参照图1A-1E和图2，示出使用SPM(AFM)的力谱所产生的典型力曲线。特别是，图1A-1E示出探针10的针尖14和样品16之间的作用力，在样品上选择的点(X，Y)处，使探针10的悬臂12偏转，从而针尖与样品的间隔以直交于样品表面的方向被调整。图2示出力的量级，以及样品位置函数，即，力曲线或剖面。在图1A，探针10和16样品不接触，且通过正交地朝向样品表面来移动样品，从而两者之间的间隔变窄本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测样品和原子力显微镜的探针之间的力的方法，所述方法包括以下步骤：在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个；移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互；基于所述移动的步骤测量所述探针的偏转；从所述测量的偏转数据中辨别经探针与样品交互产生的偏转和偏转伪影，来导出无伪影偏转，并将其与预先定义的触发力进行比较；当所述无伪影偏转对应于所述触发力时从所述样品缩回所述探针；和确定所述样品和所述探针之间的所述力，其中，所述力小于20pN。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.07 US 61/913,2481.一种检测样品和原子力显微镜的探针之间的力的方法，所述方法包括以下步骤：在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个；移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互；基于所述移动的步骤测量所述探针的偏转；从所述测量的偏转数据中辨别经探针与样品交互产生的偏转和偏转伪影，来导出无伪影偏转，并将其与预先定义的触发力进行比较；当所述无伪影偏转对应于所述触发力时从所述样品缩回所述探针；和确定所述样品和所述探针之间的所述力，其中，所述力小于20pN。2.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步包括以下步骤：使用所述力作为触发，来改变与所述移动的步骤相关的参数。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述参数为速度、方向、和力梯度中的至少一个。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述辨别的步骤包括：基于与所述偏转相对应的数据，比较驱动倾斜和拟合线，并进一步包括基于所述比较，推算出基线。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述拟合线通过执行最小平方拟合被确定。6.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长春，B·皮腾杰，胡水清，苏全民，
申请(专利权)人：布鲁克公司，
类型：发明
国别省市：美国;US