用于扫描探针显微镜的样本容器保持器制造技术

一种样本容器保持机构，该机构用于具有光学物镜和扫描探针显微镜(SPM)头的倒置显微镜。倒置显微镜包括用于支撑样本容器的平台，在该平台中形成孔，孔的尺寸设置成为倒置显微镜的物镜提供从下方接近样本容器通道。保持机构提供在平台中形成的真空区域，真空区域与真空发生器气压地连接。在真空区域中建立真空防止或显著减少样本容器底面在SPM头的操作频率范围内的振荡。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于扫描探针显微镜的样本容器保持器
本专利技术总体涉及扫描探针显微镜，并且更具体地涉及一种用于保持样本容器(例如培养皿)的机构，该机构与具有扫描探针显微镜模块的倒置显微镜一起使用。
技术介绍
倒置显微镜的使用在生命科学和其他领域是普遍的，其需要在体外在液体环境中进行样本检查。倒置显微镜穿过容纳样本的容器(如培养皿)的底部观察样本。光路包括位于容器下方的物镜。为了提供最佳的光学特性，样本容器由高透明度材料(通常为玻璃)构成，并且观察样本所穿过的容器底部通常制成尽可能的薄，常常为170微米左右。这是由于以下几个原因造成的：首先，将容器的薄底部制成薄的以允许使用倒置显微镜光学器件中高数值孔径，其相应地具有非常短的工作距离，要求物镜放置得非常接近位于容器底部的样本。而且，在观察样本时，薄的容器底部支持使用荧光。由于玻璃自然地吸收紫外波长，因此将容器底部制成非常薄便于改善这些波长从样本到物镜的传播。在过去的20年左右，原子力显微镜(AFM)模块已被添加到倒置显微镜以添加AFM功能。AFM模块在这里也被称为AFM头。AFM是一种通过安装在悬臂微结构端部的微型探针头“感觉”样本的显微镜。原子力显微镜可以查看纳米级的样本。本文中的术语“纳米级”是指小于1微米的尺寸。现代高性能原子力显微镜可以以亚纳米的分辨率成像和操纵样本。利用原子力显微镜技术，可以在分子水平研究样本，有时甚至可以在原子尺度上研究，这提供对例如细胞膜、DNA结构等结构的卓越的洞察力。AFM提供的其他相关优势是它们测量物体的高度以产生三维图像、检查样本的机械性能、以及在纳米尺度上操纵样本的能力。在AFM头的操作中，使探针尖端靠近样本的表面，以使探针尖端通过范德华力、毛细作用、静电力以及在纳米尺度上显著的其他力与样本相互作用。探针在样本表面扫描，同时观察悬臂的偏转，并且将其用作给控制系统的输入，该控制系统连续调整AFM探针的高度以遵循样本的形貌。以这种方式用AFM探针扫描样本，同时记录探针的横向坐标(x，y)、竖直坐标(z)产生样本的三维图像。这样的AFM的示例在美国专利号为6,057,546的专利中进行了描述，其公开内容在此引入作为参考。在倒置显微镜中使用AFM头所遇到的一个长期困扰的问题尤其是AFM图像中存在的高水平的噪声。以往，通过放慢原子力显微镜扫描速度而以稳定状态操作仪器已经解决了这个问题。这样获得甚至很小的样本区域的图像所需的时间已经是大约20分钟或更长。这种持续很久的扫描时间严重限制了AFM头的使用，尤其对于活体样本(如细菌或其他微生物)而言。用于解决噪声问题的另一种方法是完全消除培养皿的使用，改为使用针对特定的AFM仪器定制的较小的滑动式容器。由于倒置显微镜的许多用户更喜欢使用标准培养皿作为样本容器的便利性，因此这种方法是不可取的。因此，需要一种解决方案来改进AFM仪器，尤其是其与倒置显微镜和培养皿样本容器的结合使用，从而解决在这种应用中遇到的噪声。
技术实现思路
本专利技术的各个方面提供了一种用于倒置显微镜的样本容器保持机构。倒置显微镜具有光学物镜和扫描探针显微镜(SPM)头。样本容器保持机构包括用于支撑样本容器的平台以及在平台中形成的孔。平台提供了在SPM头操作期间样本容器所处的表面。孔的尺寸被设定成为倒置显微镜的物镜提供从下方接近样本容器的通道。SPM头利用控制系统可操作地产生SPM探针的受控运动，该受控运动在操作带宽内跟踪样本表面，该样本容器保持机构包括：在一个实施例中，样本保持机构包括至少一个真空区域，该真空区域具有包括样本容器的底面和平台表面的边界，至少一个真空区域中的每一个与真空发生器气压地连接，以通过真空发生器的操作在该真空区域内促进工作真空。至少一个真空区域包括位于大体上邻近该孔处的至少一个部分，以在SPM头操作产生运动期间，工作真空使样本容器的底面与操作带宽内的任何声学激励实质隔离，该声学激励由SPM探针的受控运动产生。在相关的实施例中，真空区域在平台中形成，该平台包括形成在平台的表面中并且定向为邻近孔周围的凹部。真空区域与真空发生器气压连接。真空区域包括定位为邻近孔的内密封件和定位为相对远离孔的远端密封件。内密封件和远端密封件各自被设置成与样本容器的底面保持紧密接触以封闭真空区域并且通过真空发生器的操作促进真空区域内的工作真空。在另一相关实施例中，至少一个真空区域包括在平台中形成的多个真空通道，多个真空通道包括定位为大体邻近孔的第一组真空通道。至少一个真空区域还可以包括第二组真空通道，第二组真空通道在相邻的真空通道和样本容器的周边之间具有最大间距，该最大间距小于孔的直径。有利地，在SPM头操作期间，工作真空的建立可以使样本容器底面的共振频率高于工作频率范围，由此降低SPM测量中的噪声。附图说明结合附图考虑以下本专利技术的各实施例的详细描述，可以更全面地理解本专利技术，其中：图1是示出包括实施本专利技术的各方面的光学显微镜部分和扫描探针显微镜(SPM)部分的倒置显微镜的示意图；图2是示出根据一个实施例的基本SPM系统的框图，该SPM系统包括形成图1的倒置显微镜的SPM部分的一部分的SPM头；图3是示出根据一个实施例的形成倒置显微镜的一部分的样本保持平台的一部分的透视图，示意性地示出了培养皿位于平台上；图4是如图3所示的平台部分和培养皿的俯视图；图5A-5C是示出了由图4所示的截面5-5所见到的样本容器保持机构的不同实施例的横截面图；图5D是图4中所示的实施例的局部横截面图，根据一个实施例，示例性地示出了在样本容器保持机构的操作状态下培养皿底面的变形；图6A-6B是说明相关实施例的俯视图，其中在倒置显微镜的样本容器保持平台中形成的孔周围存在多个真空通道；图7是图6B中所示实施例由截面7-7所看到的横截面图；图8示出根据不同实施例的具有本公开所述的样本容器保持装置和不具有该装置的SPM头的传递函数的对比的振幅和相位谱。本专利技术可修改为不同变形和可选形式，本专利技术的细节已经通过示例方式在附图中示出并且详细进行描述。然而，应该理解的是，其并非意在将本专利技术限制于所描述的特定实施例。相反地，其意在覆盖落入由所附权利要求所限定的本专利技术的精神和范围内的所有修改、等同和可选形式。具体实施方式图1是示出包括光学显微镜部分和扫描探针显微镜(SPM)部分两者的倒置显微镜20的示意图。光学显微镜部分是常规的光学系统，其包括物镜22、目镜光学器件24、光和另外的光学器件26以及其他常规光学显微镜部件，例如镜子、透镜、变焦和聚焦机构、分束器、荧光发射光源等，为了清楚起见，在这里未将其示出。物镜22位于待检样本的下方。样本被包含在用作样本容器的培养皿30中。培养皿30位于平台25上，在倒置显微镜的情况下平台25通常被称为载物台。如下文将更详细地描述的，平台25具有孔，物镜22可以通过该孔透过培养皿30的底部观察样本。在高数值孔径物镜中，孔大到足以允许物镜22以小于平台25的厚度的距离接近培养皿30的底部。SPM部分包括SPM头28，SPM头28是图2中更详细示出以及如下所述的更大的SPM系统的一部分。SPM头28包括SPM悬臂102、探针104、致动器110、监测器114、负载隔离器124、另外的机械系统112以及安装到倒置显微镜20的框架上的壳体。可以与SPM头2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于倒置显微镜的样本容器保持机构，所述倒置显微镜具有光学物镜和扫描探针显微镜(SPM)头，所述扫描探针显微镜头包括配置用于执行所述样本容器中样本的扫描的扫描探针显微镜探针和控制系统，所述扫描探针显微镜头使用所述控制系统可操作地产生所述扫描探针显微镜探针的受控运动，所述受控运动在操作带宽内跟踪所述样本的表面，所述样本容器保持机构包括：用于支撑所述样本容器的平台，所述平台提供表面，在所述扫描探针显微镜头操作期间所述样本容器定位在所述表面上；在所述平台中形成的孔，所述孔的尺寸设置成为所述倒置显微镜的所述物镜提供从下方接近所述样本容器的通道；以及至少一个真空区域，所述至少一个真空区域具有包括所述样本容器的底面和所述平台的所述表面的边界，所述至少一个真空区域中的每一个与真空发生器气压地连接，以通过所述真空发生器的操作促进所述真空区域内的工作真空；其中所述至少一个真空区域包括定位为大体上邻近所述孔的至少一部分，以在所述扫描探针显微镜头操作产生所述运动期间，所述工作真空使得所述样本容器的所述底面与所述操作带宽内由所述扫描探针显微镜探针的所述受控运动所产生的任何声学激励大体上隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.25 US 62/184,7791.一种用于倒置显微镜的样本容器保持机构，所述倒置显微镜具有光学物镜和扫描探针显微镜(SPM)头，所述扫描探针显微镜头包括配置用于执行所述样本容器中样本的扫描的扫描探针显微镜探针和控制系统，所述扫描探针显微镜头使用所述控制系统可操作地产生所述扫描探针显微镜探针的受控运动，所述受控运动在操作带宽内跟踪所述样本的表面，所述样本容器保持机构包括：用于支撑所述样本容器的平台，所述平台提供表面，在所述扫描探针显微镜头操作期间所述样本容器定位在所述表面上；在所述平台中形成的孔，所述孔的尺寸设置成为所述倒置显微镜的所述物镜提供从下方接近所述样本容器的通道；以及至少一个真空区域，所述至少一个真空区域具有包括所述样本容器的底面和所述平台的所述表面的边界，所述至少一个真空区域中的每一个与真空发生器气压地连接，以通过所述真空发生器的操作促进所述真空区域内的工作真空；其中所述至少一个真空区域包括定位为大体上邻近所述孔的至少一部分，以在所述扫描探针显微镜头操作产生所述运动期间，所述工作真空使得所述样本容器的所述底面与所述操作带宽内由所述扫描探针显微镜探针的所述受控运动所产生的任何声学激励大体上隔离。2.根据权利要求1所述的样本容器保持机构，其中所述至少一个真空区域包括定位为邻近所述孔的内密封件和定位为相对远离所述孔的远端密封件，所述内密封件和所述远端密封件各自被设置用于保持与所述样本容器的底面的紧密接触以封闭所述真空区域。3.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述至少一个真空区域是单个真空区域，所述单个真空区域在与所述表面平行的参考平面中具有环形横截面。4.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述至少一个真空区域中的每一个包括真空通道，所述真空通道在与所述表面平行的参考平面中具有环形横截面。5.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内密封件和所述远端密封件中的至少一个包括O形圈。6.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内密封件和所述远端密封件中的至少一个包括在所述平台上形成的加工表面。7.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述远端密封件包括单个连续密封件。8.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内密封件位于与穿过所述孔的中心并且沿着所述物镜的光轴定向的参考中心轴线相距固定径向距离处。9.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内部密封件位于与穿过所述孔的中心并且沿着所述物镜的光轴定向的参考中心轴线相距最大径向距离处，所述最大径向距离不大于所述孔的半径的一半。10.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内部密封件位于与穿过所述孔的中心并且沿着所述物镜的光轴定向的参考中心轴线相距最大径向距离处，所述最大径向距离不大于所述孔的半径的20％。11.根据权利要求2所述的样本容器保持机构，其中所述内密封件位于与穿过所述孔的中心并且沿着所述物镜的光轴定向的参考中心轴线相距最大径向距离处，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·迈耶，胡水清，詹姆斯·肖，苏全民，
申请(专利权)人：布鲁克纳米公司，
类型：发明
国别省市：美国,US