CN103336147B - 一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，包括夹持玻璃微吸管探针的管状夹持套，所述管状夹持套外部设有环形凸缘，环形凸缘下方连接有弹性元件，弹性元件下端固定在固定底板上；所述环形凸缘的上表面放置有环形压电陶瓷片，环形压电陶瓷片固定连接在固定顶板上，固定底板与固定顶板固定连接；环形压电陶瓷片与驱动电路连通后振动，带动管状夹持套和玻璃微吸管探针在垂直方向作高频振动。本发明采用单独驱动的环形压电陶瓷片，驱动环形压电陶瓷片产生振动并带动玻璃微吸管探针在垂直方向作高频振动，可以产生交流反馈信号，从而有效克服离子电流漂移、提高扫描速度。

Description

一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器
技术领域
本发明属于扫描离子电导显微镜成像技术领域，涉及一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器。
背景技术
扫描离子电导显微镜（Scanning ion conductance microscopy,SICM）作为扫描探针显微镜家族中的一员，是目前国际上广泛应用于纳米级生物成像（如心肌细胞、肾上皮细胞、神经元等的成像），以研究生物结构和功能的一种新型显微镜。扫描离子电导显微镜可以在液态生理条件下对被测样本进行无接触、无损害、纳米级分辨率的成像，同时不要求被测样本具有导电性，因而在活体细胞的成像领域具有十分突出的优势。
扫描离子电导显微镜在扫描过程中存在的主要问题之一是离子电流的漂移。产生漂移的原因复杂多样，例如电解池中电解液的蒸发导致离子强度的变化，热漂移，银/氯化银电极表面电势的不稳定，玻璃微吸管被电解池中的杂质堵塞，电源状态发生变化等。另一个主要问题是扫描速度。影响扫描速度的因素有：样本表面形貌的复杂程度，成像尺寸，成像分辨率（成像所需的像素数目），扫描时探针的移动速度和轨迹等等。由于现有技术中只使用一块压电陶瓷来驱动探针垂直移动，使探针、压电陶瓷以及其他附件固定为一个整体，这使得压电陶瓷的谐振频率被限制在1kHz左右，成为影响扫描速度的主要因素。另外，提高扫描离子电导显微镜的成像能力，即可以对各种复杂程度的表面进行成像，也是一个十分重要的问题。
为了解决离子电流漂移问题，提高扫描速度以及扫描离子电导显微镜的成像能力，科研工作者们不断发展出多种利用反馈控制调节探针移动轨迹的方法，简称扫描模式（scanning mode）。文献（1）Hansma P K,Drake B,et al，The scanning ion-conductance microscope，Science,1989,243(4891):641-643是扫描离子电导显微镜诞生的标志，采用的是直流模式（DC mode），直流模式容易产生离子电流漂移，且不适用于表面高度起伏很大的样本，极易造成探针断裂；文献（2）Shevchuk A I,Gorelik J，Eet al.Simultaneous measurementof Ca2+and cellular dynamics:Combined scanning ion conductance and opticalmicroscopy to study contracting cardiac myocytes.Biophysical Journal,2001,81(3):1759-1764.提出了交流模式（AC mode），交流模式用交流信号进行反馈，可以有效克服离子电流的漂移，且响应速度比用直流信号反馈快，但该模式只适用于表面高度起伏较小或中等复杂程度的样本；文献（3）Novak P,Li C，et al.Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ionconductance microscopy.Nature Methods,2009,6(12):935.提出了跳跃模式（Hopping mode），跳跃模式的成像能力最强，即可以对表面高度起伏很大的样本进行成像，但扫描速度相对较慢，且因为使用直流信号反馈，所以每探测一个像素点必须更新一次参考离子电流，否则易于产生直流漂移；文献（4）Zhukov A,Richards O,et al.A hybrid scanning mode for fast scanning ionconductance microscopy(SICM)imaging.Ultramicroscopy,2012,121:1-7.提出了FSICM模式，其扫描速度极快，并可以获得大量像素点，但FSICM只适用于对表面较为平坦的，并具有大量与探针尖端内径尺寸相当的或更小的特征成像，同时随着单行扫描范围的增加，离子电流漂移现象将会更加显著。
由上述文献可知，交流模式可以有效克服离子电流的漂移，跳跃模式可以对表面高度起伏很大的样本进行成像，驱动探针运动的压电陶瓷的谐振频率是限制扫描速度的重要因素。上述文献所述方法均是单一地从探针的扫描模式方面进行研究，对机械结构设计方面关注较少。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，以解决扫描离子电导显微镜在扫描过程中出现的离子电流漂移问题，同时提高扫描离子电导显微镜的扫描速度和成像能力。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，包括夹持玻璃微吸管探针的管状夹持套，所述管状夹持套外部设有环形凸缘，环形凸缘下方连接有弹性元件，弹性元件下端固定在固定底板上；所述环形凸缘的上表面放置有环形压电陶瓷片，环形压电陶瓷片固定连接在固定顶板上，固定底板与固定顶板固定连接；环形压电陶瓷片与驱动电路连通后振动，带动管状夹持套和玻璃微吸管探针在垂直方向作高频振动。
当所述玻璃微吸管探针在垂直方向作高频振动后，扫描离子电导显微镜的数据采集器接收到的信号为交流信号。
所述的数据采集器通过微电流放大器采集交流信号。
所述的高频振动夹持器固定在Z向压电陶瓷上，Z向压电陶瓷与控制器连通后，可以调节玻璃微吸管探针在垂直方向上的移动。
通过调节环形压电陶瓷片的激振频率来调节玻璃微吸管探针的振动频率和振幅。
所述的管状夹持套的内壁还附着有弹性涂层。
以所述高频振动夹持器的谐振频率最大化作为目标函数，以所述管状夹持套的基本尺寸参数和材料参数作为变量，通过有限元分析法进行优化分析后,可以确定管状夹持套的尺寸参数和材料参数的最优值。
所述固定顶板和固定底板通过螺栓、螺母连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，通过对玻璃微吸管探针的夹持结构进行机械优化设计，并采用单独驱动的环形压电陶瓷片,驱动环形压电陶瓷片产生振动并带动玻璃微吸管探针在垂直方向作高频振动，可以产生交流反馈信号，同时缩短数据采集时间，从而有效克服离子电流漂移，并有助于提高扫描离子电导显微镜的扫描速度和成像能力。
相对于采用直流信号反馈的跳跃扫描模式，本发明可以更有效地克服离子电流的漂移现象。
进一步，本发明提供的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，还可以连接Z向压电陶瓷，这样就采用了环形压电陶瓷和Z向压电陶瓷两块压电陶瓷，分别用于驱动探针的高频振动和探针垂直方向的移动，有效提高了探针的扫描速度，同时使扫描离子电导显微镜具有跳跃扫描模式的成像能力。
而且本发明还可以将机械优化设计理论、有限元分析法同扫描离子电导显微镜的扫描模式进行优势互补，在保留现有技术的良好性能的基础上进一步提高了扫描离子电导显微镜的综合性能，而不以严重牺牲某一方面性能为代价去片面追求另一方面性能的提升。
还可以以所述高频振动夹持器的谐振频率最大化作为目标函数，以所述高频振动夹持器的基本尺寸参数和材料参数作为设计变量，进行优化分析；这样将机械优化设计理论、有限元分析法同扫描离子电导显微镜的交流扫描模式、跳跃扫描模式进行优势互补，联合设计，便可得到优化的高频振动夹持器。
附图说明
图1为扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器的结构示意图（轴测图），为了清楚显示高频振动夹持器的内部结构，绕其中心对称轴剖除了四分之一。
图中：1为管状夹持套，2为玻璃微吸管探针，3为弹性涂层，4为环形凸缘，5为弹性元件，6为固定底板，7为环形压电陶瓷片，8为固定顶板，9为螺栓，10为螺母，11为Z向压电陶瓷。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，包括夹持玻璃微吸管探针2的管状夹持套1，所述管状夹持套1外部设有环形凸缘4，环形凸缘4下方连接有弹性元件5，弹性元件5下端固定在固定底板6上；所述环形凸缘4的上表面放置有环形压电陶瓷片7，环形压电陶瓷片7固定连接在固定顶板8（设置在环形压电陶瓷片7的上方）上，固定底板6与固定顶板8固定连接；环形压电陶瓷片7与驱动电路连通后振动，带动管状夹持套1和玻璃微吸管探针2在垂直方向作高频振动，以产生交流信号，从而有效克服离子电流漂移、提高扫描速度。
而当玻璃微吸管探针2在垂直方向作高频振动后，扫描离子电导显微镜的数据采集器接收到的信号为交流信号。所述的数据采集器通过微电流放大器采集交流信号。
所述的高频振动夹持器固定在Z向压电陶瓷11上，Z向压电陶瓷11与控制器连通后，可以用来调节玻璃微吸管探针2在垂直方向上的移动，使扫描离子电导显微镜具有跳跃扫描模式的成像能力。
通过调节环形压电陶瓷片7的激振频率可以调节玻璃微吸管探针2的振动频率和振幅。
具体的,所述的管状夹持套1的内壁还附着有弹性涂层3，用于提供夹紧力。
所述的弹性元件5用于支撑所述环形凸缘4，可以为弹簧或其他弹性材料，弹性元件5一方面可以用来调节高频振动夹持器的***刚度，另一方面可以为管状夹持套提供回复力。
所述固定顶板8和固定底板6通过螺栓9、螺母10连接。
以所述高频振动夹持器的谐振频率最大化作为目标函数，以所述管状夹持套1的基本尺寸参数和材料参数作为设计变量，通过有限元分析法进行优化分析后,可以确定管状夹持套1的尺寸参数和材料参数的最优值。
具体的，利用ANSYS的优化设计模块（Design Explorer模块），导入高频振动夹持器的三维几何模型，输入管状夹持套的基本尺寸参数和材料参数的变化范围，以所述高频振动夹持器的谐振频率最大化作为目标函数，进行优化分析后便可获得各参数的最优值。

Claims (7)

1.一种扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，包括夹持玻璃微吸管探针(2)的管状夹持套(1)，所述管状夹持套(1)外部设有环形凸缘(4)，环形凸缘(4)下方连接有弹性元件(5)，弹性元件(5)下端固定在固定底板(6)上；所述环形凸缘(4)的上表面放置有环形压电陶瓷片(7)，环形压电陶瓷片(7)固定连接在固定顶板(8)上，固定底板(6)与固定顶板(8)固定连接；环形压电陶瓷片(7)与驱动电路连通后振动，带动管状夹持套(1)和玻璃微吸管探针(2)在垂直方向作高频振动；
以所述高频振动夹持器的谐振频率最大化作为目标函数，以所述管状夹持套的(1)基本尺寸参数和材料参数作为设计变量，通过有限元分析法进行优化分析后，可以确定管状夹持套(1)的尺寸参数和材料参数的最优值。
2.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，当玻璃微吸管探针(2)在垂直方向作高频振动后，扫描离子电导显微镜的数据采集器接收到的信号为交流信号。
3.如权利要求2所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，所述的数据采集器通过微电流放大器采集交流信号。
4.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，所述的高频振动夹持器固定在Z向压电陶瓷(11)上，Z向压电陶瓷(11)与控制器连通后，可以调节玻璃微吸管探针(2)在垂直方向上的移动。
5.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，通过调节环形压电陶瓷片(7)的激振频率来调节玻璃微吸管探针(2)的振动频率和振幅。
6.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，所述的管状夹持套(1)的内壁还附着有弹性涂层(3)。
7.如权利要求1所述的扫描离子电导显微镜的高频振动夹持器，其特征在于，所述的固定顶板(8)和固定底板(6)通过螺栓(9)、螺母(10)连接。
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