[发明专利]一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法

说明书

本发明涉及一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法，装置包括电压驱动单元、电流检测单元、信号调制单元、反馈控制单元、机构执行单元；方法包括：信号发生器产生两路同频交流电压，一路连接到膜片钳放大器作为驱动电压，另一路连接到锁相放大器作为参考电压；通过膜片钳放大器进行电容补偿；将一路与参考信号同频同相位的调制电压连接到锁相放大器进行反馈信号调制；计算得到新的电流设定值；锁相放大器将提取的电流分量反馈给控制器，控制探针与样品的距离，记录下探针及样品相对位移的轨迹，完成图像扫描。本发明通过对反馈信号进行调制，可增加驱动电压的幅值，提高系统信噪比，进而可以达到提高SICM系统Z向分辨率和扫描速度的目的。

技术领域

本发明涉及一种新型的快速高分辨率的微纳米级非接触式成像技术，具体地说是一种基于差分降噪的扫描离子电导显微镜(SICM)电压调制成像模式的扫描装置和方法。

背景技术

目前，扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscope:SICM)是一种在纳米尺度下成像及对生物样品进行多种方式表征的扫描探针显微技术，已经广泛应用于生物、医药、化学、材料等多个领域。SICM最大的特点在于能够在生理条件下对活细胞进行非力接触的无损观测，同时不需要对样品进行荧光标记等预处理，因而是一种高分辨率、高保真的成像技术，其无损观测的方式特别适用于对柔软样品如活细胞等的观测。SICM使用一根尖端为锥形的中空玻璃管作为探针，针尖内半径约为几十到几百纳米，待测样品放置在样品皿中，在探针和样品皿中灌有相同的电解质溶液并各放置一根Ag/AgCl电极，扫描时探针浸入到液面以下，在电极两端施加电压就会在溶液内产生离子电流，当针尖远离样品时，电流保持不变，其大小与电解质导电率、针尖的尺寸形状等有关，当针尖与样品的距离减小到约为尖端内半径的大小时，针尖与样品间狭小的空间开始阻碍离子的通过，离子电流随着探针继续逼近而逐渐减小，因而可以通过控制离子电流的大小来控制针尖与样品间的距离，扫描时探针在样品表面逐行扫过，控制电流恒定来使针尖与样品一直保持恒定的距离，记录下探针移动的轨迹即可得到整个样品的三维形貌图像。

现有的SICM扫描模式主要直流模式、距离调制模式、跳跃模式、同相/正交电压调制模式。直流模式是最早提出也是最简单的扫描模式，它的反馈量为直流电流，其优点在于扫描速度快且实现简单，不到五分钟即可得到一幅256分辨率的图像，但缺点是容易出现直流漂移、易受电气噪声的影响，不利于长时间观测。距离调制模式的反馈电流是通过驱动探针在Z方向高频小幅振动而产生的交变电流，因为只采用单一频率的交流电流作为反馈所以很好地解决了上述问题，但该模式受压电陶瓷性能的限制，最高调制频率只有1-2kHz，影响了交流电流的采样速度，降低了扫描速度，扫描一幅图像需要15-30分钟。跳跃模式更适合扫描高度起伏较大的样品，但探针跳跃运动的扫描方式使其扫描速度较慢，需要15分钟以上才能得到一幅图像。同相/正交电压调制模式直接在电极两端施加高频交流电压，以产生的同频交流电流的单一分量(同相或正交分量)为反馈，该模式不仅解决了直流漂移、电气噪声等对系统的影响，而且不受压电陶瓷性能的限制，提高了扫描速度，不到10分钟就可获得一幅高质量的图像，但其和直流模式相比，在扫描速度和成像分辨率方面，仍存在一定的差距。这是由于同相/正交电压调制模式与直流模式相比反馈量信噪比较低，噪声掩盖了样品表面的微小形貌，降低了Z向的分辨能力，同时较低的信噪比使得锁相放大器需要较大的时间常数，增加了信号处理的时间。提高信噪比有减小噪声或增加有效信号幅值两种方式。当系统硬件和环境条件固定时，噪声水平不变，可以通过增加电极两端的驱动电压来增加有效信号的幅值，但受锁相放大器输入范围的限制，驱动电压只能在有限的范围内增加，因而无法进一步提高信噪比。

发明内容

为了提高SICM系统的抗干扰能力、反馈信号信噪比，从而进一步提高扫描速度和成像分辨率，本发明提出了一种基于差分降噪的SICM电压调制成像装置和方法。