[发明专利]原子力显微镜液相成像的液面自动控制系统

说明书

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种微型液面探测并补给系统。

背景技术

原子力显微镜的出现使得人们对于探索纳米尺度下的物质变得方便和快速，相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。原子力显微镜可以提供真实的三维表面图，同时原子力显微镜不像扫描电子显微镜那样需要对样品进行特殊的处理，比如镀金来确保样品表面具有导电性，这样的处理会对样品造成不可逆转的损坏。其次，原子力显微镜不需要运行在高真空条件下，它在大气条件下甚至在液相环境下都可以良好工作。正是由于原子力显微镜可以在液相条件下稳定的工作，因此可以用来研究生物大分子，甚至活的生物组织。

但是，在利用原子力显微镜进行液相扫描的时候，我们发现，由于扫描腔体的容积很小，加上仪器本身在不断地产生热量，导致被扫描液体在数小时之内就蒸发完了，从而打断了原子力显微镜对样品的扫描，这样就阻碍了原子力显微镜对生物样品长时间持续跟踪功能的发挥。因此，有一种实时的探测补给装置是解决问题的关键，可长时间工作的开放式原子力显微镜液体池（CN 201034908Y）描述了一种方法来补给，但是其设备存在很多缺陷，比如还是需要人为加入液体，大液体池非常浪费被测溶液，不能持续很长时间等。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种原子力显微镜液相液面自动控制系统，以解决原子力显微镜在液相模式下持续工作时间不长的缺点，并实现以下目的：（1）使被扫描液面恒定在一个高度上，保证显微镜在液相下的正常工作；（2）使被测溶液浓度保持相对比较精细的恒定，蒸发多少水（液体）则补给多少水（液体）；（3）实现智能检测和智能控制，不需要人为加注。

本发明所采用的技术方案是： 通过探测液面的升降情况来进行相应的液体补给，系统包括微传感头、信号处理电路、微量液体推送装置（如双通道推拉注射泵LSP01-1C，购于保定兰格恒流泵有限公司）。由于原子力显微镜放置样品的腔体空间非常小，容不下市场上现成的集成传感器，本发明采用自制的微传感头，从原子力显微镜放置样品的腔体中的针尖架（Multimode Ⅴ AFM自带，购于美国布鲁克公司）上方穿下来，微传感头悬挂在系统的扫描探针旁边，微传感头的触头呈分叉状紧贴在针尖架上表面，以增大探测面，微传感头的触头露出，离针尖架上表面距离0.5—2.0 mm(可以根据控制液面的高度自行调节)。该微传感头作为连接的正极，并且涂有防腐层，相应的负极与设置在下边衬底上的一个小铁片连接。微传感头通过正极导线和负极导线，与信号处理电路相连。

本发明中，所述的信号处理电路，将微传感头探测到的信号放大和转换，并转化成微量液体推送装置能够识别的信号。

微量液体推送装置和针尖架上的液体注入口间由细小软管相连；微量液体推送装置由步进马达推动微量注射器（KDL 1.0 ml）控制。

本发明中，所述的微传感头， 由触头和两根引出导线组成， 触头由市售的直径为0.8 mm的铜线为原材料，在铜线表面蒸镀有一层镍作为防腐层。所述引出两根导线相互缠绕成一根，从上往下穿过针尖架上的传感触头伸入孔，再分出两个导线头，并折成90°角紧贴在针尖架上表面（两导线呈70°分布，长度均为5 mm），最后将两个分出的导线头垂直向下折90°出现一个长度为0.5-2.0 mm 的下垂触头，触头用胶水固定在针尖架上；引出导线直接购自OMEGA  ENGINEERING 公司，直径为0.1 mm的带绝缘保护层的细纯铜导线。导线与触头用焊锡焊接，用于连接到信号处理电路板。

本系统采用了上下降沿触发的工作方式，即当液面下降时，由于失去了液体作为导通介质，而使悬挂在液体中的上端分叉型微传感头与衬底上的铁片出现开路，从而在电位上出现了一个下降沿，该下降沿信号再通过信号处理电路调整和放大后输出给微量液体推送装置，触发微量液体推送装置通过细管往扫描腔体进行注液；当液体不断注入扫描腔体，使液面上升又碰到上端分叉型微传感触头时，该分叉型触头与衬底上的铁片重新导通，电路出现上升沿，返回到高电平，从而使微量液体推送装置停止工作；如此循环，使扫描腔体的液体量一直在一个较小的范围内波动，从而实现保持扫面液面的基本恒定状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是实现了系统的自动探测和自动补给功能，能够通过控制微量液体推送装置的推送量和推送速率来精确控制扫描腔体里的液体容量。本系统所补给的液体保存在微量液体推送装置的针管里，蒸发掉多少补给多少，所以能够实现节约资源的功能。

附图说明