基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法，包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元。双探针扫描配置单元包括电桥配置模块和扫描平台；核心控制单元包括信号采集模块、压电陶瓷控制模块、微电机控制模块、信号输出模块；上位机操作单元主要包括上位机操作界面以及上位机与FPGA芯片之间的串口通讯模块。本发明专利技术提出的基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜能够很好的克服离子电流漂移，提高了扫描图像的质量和稳定性。本发明专利技术可以在生理环境下对生物样品的表面三维形貌进行扫描成像，能够实现非接触、纳米级分辨率、稳定扫描。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元。双探针扫描配置单元包括电桥配置模块和扫描平台；核心控制单元包括信号采集模块、压电陶瓷控制模块、微电机控制模块、信号输出模块；上位机操作单元主要包括上位机操作界面以及上位机与FPGA芯片之间的串口通讯模块。本专利技术提出的基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜能够很好的克服离子电流漂移，提高了扫描图像的质量和稳定性。本专利技术可以在生理环境下对生物样品的表面三维形貌进行扫描成像，能够实现非接触、纳米级分辨率、稳定扫描。【专利说明】基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像 方法
本专利技术属于扫描离子电导显微镜领域，涉及扫描离子电导显微镜探针的配置模 式，具体涉及一种基于平衡电桥电路的双探针扫描离子电导显微镜系统及其成像方法。
技术介绍
扫描离子电导显微镜（Scanning Ion Conductance Microscopy，SICM)是扫描探 针显微镜家族中的新兴成员。由于其特殊的成像机理，能够在生理条件下实现对生物样本 的非接触、纳米级分辨率扫描成像，因此SICM在活细胞的成像领域具有显著的优势。近几十 年，SICM技术得到了快速的发展，并在生物、化学、材料等多个领域均得到了广泛应用。 1989年，Hansma研究团队首先提出并研制出SICM，此后Korchev研究团队在此基础 上进行了改进，并于1997年第一次成功应用于活细胞高分辨成像。随着SICM成像技术的不 断发展，研究者们先后提出了多种扫描模式，主要包括直流模式(Direct Current，DC)、交 流模式(Alternate Current，AC)以及跳跃模式（Hopping modes)。早期的SICM采用的是DC 扫描模式，以通过探针尖端的离子电流直接作为反馈信号，控制探针Z向运动以保持离子电 流恒定，然后通过逐行扫描样本表面，从而获得样品的表面形貌。然而，在DC模式扫描过程 中，离子电流不可避免受到溶液浓度、温度等因素的影响发生变化(称为离子电流漂移），从 而导致探针经常与样本表面发生接触或碰撞，导致探针堵塞甚至断裂。因此，SICM在DC模式 下成像稳定性较差，很难实现对复杂表面样品的高分辨率成像。 为了克服DC模式的不足，研究者提出了一种距离调制的扫描模式，即AC模式。在AC 模式下，探针扫描的同时，在Z方向上以一定的频率振动，一般振幅为几十纳米，同时使用锁 相放大器检测离子电流的幅值作为控制反馈信号。AC模式克服了离子电流漂移的影响，提 高了 SICM扫描稳定性，但是探针振动频率限制了其扫描的速度，而且其不适合复杂表面形 貌样品的成像。 为了实现SICM对复杂样品表面的高分辨率成像，研究者引入了跳跃扫描模式。在 跳跃模式中，扫描探针从距离样品表面较远处，向下运动接近样品表面，当离子电流达到设 定值后，控制探针远离样品表面;然后水平移动探针至下一探测位置，再向下运动接近样品 表面，直至完成样品扫描。通过探针上下大幅度的跳动进行逐点探测，跳跃模式扫描能够避 免与复杂样品表面发生碰撞，并能有效地对极其复杂的细胞表面进行纳米尺度下的高分辨 率长时间无损观测。然而，跳跃模式不可避免的大幅度降低了 SICM的扫描成像速度，而且其 扫描过程仍然受到离子电流漂移的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于更好的克服离子电流漂移，进一步提高SICM系统的综合性能， 提供一种。基于平衡电桥的 双探针配置模式能够很好的克服SICM成像过程中离子电流漂移的影响，提高了 SICM系统的 成像能力和稳定性。 为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为： 一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，该扫描离子电导显微镜系 统包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元，所述双探针扫描配置单 元包括双探针配置模块和扫描平台；双探针配置模块包括电桥配置电路以及与电桥配置电 路相连的扫描探针、参考探针、偏置电源和前置放大器，前置放大器、扫描平台以及上位机 操作单元与核心控制单元相连;扫描探针运动过程中的电流反馈信号通过前置放大器引入 至核心控制单元，所述电流反馈信号为基于电桥配置电路所形成的扫描探针和参考探针两 支路电流的差异。 所述双探针配置模块包括两个开口半径相等或相近的超微探针以及设置于每个 超微探针内的Ag/AgCl电极，以其中一个超微探针作为扫描探针，以另一个超微探针作为参 考探针。 所述电桥配置电路包括固定电阻器RQ、R(/和可调电阻器R a、Ra'，其中，固定电阻器 R0以及R(/的一端与偏置电源的一端相连，固定电阻器Ro的另一端与可调电阻器1^的一端相 连，固定电阻器R t/的另一端与可调电阻器1^的一端相连，可调电阻器Ra的另一端与扫描探 针的电极相连，可调电阻器的另一端与参考探针的电极相连，偏置电源的另一端连接有 电极;前置放大器的一输入端连接于固定电阻器Ro与可调电阻器R a之间，前置放大器的另一 输入端连接于固定电阻器IV与可调电阻器之间，前置放大器的输出端与核心控制单元 相连。 所述固定电阻器Ro与Rt/的电阻相等。 所述电桥配置电路还包括可调电容器(^和(^，可调电容器Ca与固定电阻器R 0并 联，可调电容器与固定电阻器R(/并联。 所述扫描平台包括用于驱动所述扫描探针沿X、Y、Z三个方向运动的微电机和压电 陶瓷，所述微电机以及压电陶瓷与核心控制单元相连。 所述核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将扫描探针运动过程中的电流反馈信 号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块以及用于驱动压电陶瓷和微电机的驱 动模块，FPGA控制芯片内设置有用于运算X、Y、Z三个方向压电陶瓷运动的控制量的压电陶 瓷控制模块、用于运算Χ、Υ、Ζ三个方向的微电机所需要的控制量的微电机控制模块以及用 于将FPGA控制芯片运算的与各个控制量对应的信号传输至所述驱动模块的信号输出模块。 所述上位机操作单元包括上位机以及用于实现上位机与FPGA控制芯片之间数据 传输的通讯模块。 基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统的成像方法，包括以下步骤： 1)将样品置于电解液中，然后利用扫描平台使扫描探针、参考探针以及与偏置电 源连接的电极与电解液接触； 2)在利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描前，调节电桥配置电路至平衡状态； 3)保持参考探针在电解液中静止的同时利用扫描探针对样品表面进行逐点扫描， 通过前置放大器输出双探针配置下扫描探针Z向运动的电流反馈信号，核心控制单元根据 所述电流反馈信号控制扫描探针Z向的运动，并由上位机操作单元记录扫描探针扫描过程 中各探测点的相应的位置，从而实现扫描成像。 所述步骤2)具体包括以下步骤:通过改变电桥配置电路中的可调电阻以及可调电 容使电桥达到平衡状态，即此时前置放大器反馈的电流信号为零。 相对于现有技术，本专利技术的有益效果为： 本专利技术提出的基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，采用一对超微探 针，并设计相应的电桥配置电路以抵消扫描环境的变化对扫描探针的影响，从而能够很好 的克服探针扫描过程中离子电流漂移等干扰的影响，进一步提高了扫描离子电导显微镜的 成像性能。本专利技术可以在生理环境下对生物样品的表面三维形貌进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于平衡电桥的双探针扫描离子电导显微镜系统，其特征在于：该扫描离子电导显微镜系统包括双探针扫描配置单元、核心控制单元以及上位机操作单元，所述双探针扫描配置单元包括双探针配置模块和扫描平台；双探针配置模块包括电桥配置电路以及与电桥配置电路相连的扫描探针、参考探针、偏置电源(3)和前置放大器(5)，前置放大器(5)、扫描平台以及上位机操作单元与核心控制单元相连；扫描探针运动过程中的电流反馈信号通过前置放大器(5)引入至核心控制单元，所述电流反馈信号为基于电桥配置电路所形成的扫描探针和参考探针两支路电流的差异。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：庄健，李泽清，焦阳博瀚，尚春阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61