[发明专利]基于隧道磁阻效应和离子电导技术的扫描成像系统及方法

说明书

本发明公开了基于隧道磁阻效应和离子电导技术的扫描成像系统及方法，微磁极探针安装于三维运动模块的Z向压电陶瓷上，微磁极探针包括外壁和设置于外壁内并将外壁的内腔划分为第一通道和第二通道的隔板，第二通道内腔的底部设置有磁性物质；离子电流电路的样本电极和TMR传感器均与电流放大器连接，电流放大器与信号发生采集器的AD模块连接，信号发生采集器的DA模块与离子电流电路的样本电极以及探针电极连接；信号发生采集器与主控制器连接，主控制器和三维运动模块与上位机连接。本发明能够扩大扫描探针的反馈区间，解决扫描离子电导检测设备扫描速度慢的问题，大大提高了此类设备的扫描速度。

技术领域

本发明涉及扫描离子电导显微镜及扫描电化学池显微镜，具体为基于隧道磁阻效应和离子电导技术的扫描成像系统及方法。

背景技术

显微技术水平的高低决定了人类科技在空间尺度下的研究边界，是生命科学、电化学等前沿领域发展的基础和必需工具。多年来，人们基于声、光、电等研发了各种各样的显微镜，它们大大促进了相关领域的发展，但同时也都存在一定的局限性。传统的光学显微镜(OM)发展成熟、应用广泛，但是其分辨率较低，难以满足高分辨率使用要求；超分辨率荧光显微技术打破了光学衍射极限的限制，但是样本需要做荧光处理，无法实现细胞的“原位”成像；电子显微镜(EM)分辨率很高，但是需要对样本进行处理，而且需要在真空环境下使用，无法对活细胞进行成像。近年来，以原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)在测量领域中得到广泛应用，但AFM是基于原子力进行反馈控制，可能会导致样本表面被划伤或变形。

扫描离子电导显微镜(Scanning Ion Conductance Microscopy,SICM)和扫描电化学池显微镜(Scanning Electrochemical Cell Microscopy,SECCM)作为SPM家族的新成员，以尖端开口几纳米到几百纳米的玻璃移液管作为扫描检测的传感探针，通过检测离子电导回路的电流大小实现探针尖的精密定位，通过记录分析离子电流或氧化还原电流，实现原位、非接触条件下的样本纳米级三维形貌、电化学、力学等信息的同时检测。然而，现有生命科学、材料科学等研究领域已从传统的静态研究发展到动态研究，对时间分辨率提出了更高的要求。提高扫描离子电导检测技术的时间分辨率，在生命科学领域有助于人们更好地分析细胞增殖、分化和迁移等动态行为、观测细胞表面电荷的动态分布变化、探究免疫细胞的生理行为、监测细胞表面蛋白分布及其动态变化、观察药物对细胞的作用机理等。在电化学测量领域，有利于开展纳米电极材料界面上的形貌变化、电荷转移过程等研究，对于理清界面结构、组成、电荷转移和电催化等结构-功效关系、深入探究材料界面反应动力学和内在机理具有重要科学价值。但是，当前扫描离子电导检测技术在动态、高速捕捉关键信息方面仍很难满足应用要求。

目前扫描离子电导检测技术大多采用的是跳跃模式，即探针从Z向起始位置下探至样本表面附近，记录此时探针的位置和离子电流(或氧化还原电流)信息，然后回撤至Z向起始位置并水平移动至下一个点，进行下一个点的下探检测，如此重复直至完成所有预设点的扫描。跳跃模式可以有效避免扫描复杂样本时探针与样本发生碰撞，但同时由于需要多次进行Z向的下探，探针的运动有许多为“冗余路径”，这大大增加了扫描检测所需要的总时间。多年来人们为了提高扫描离子电导检测技术的速度做了大量努力，目前提高扫描速度的研究主要分为“轨迹规划”和“提高接近速度”两大类。轨迹规划方法实质是缩短扫描路径，也就是减少扫描像素点数目和缩短接近路径，如预扫描法、欠采样法，此类方法通常需要通过预扫或其它方法获得扫描地形的先验知识，因此很难适应形貌未知的复杂扫描目标。提高接近速度的方法主要包含接近控制算法改进和硬件改进法两大类，如混合扫描法、双压电陶瓷法、设计高频压电陶瓷驱动机构、过冲补偿法、速度控制算法等。