CN110082014B - 具有与样品交互的探针的原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

一种原子力显微镜(AFM)及其方法，提供较小力的(sub‑20pN)AFM控制，并提供力学性能测试。优选实施例采用实时的虚假偏转修正/辨别，通过适应性地修改驱动倾斜来符合偏转伪影。

Description

具有与样品交互的探针的原子力显微镜

本案是分案申请，其母案为于2016年8月5日(优先权日期：2013年12月7日)提交的发明名称为“实时基线确定的力测量”、申请号为201480075041.5的申请。

相关申请的交互参照

依据35USC§119(e)，本发明作为正式申请，请求2013年12月7日提交的题为“实时基线确定的力测量”的美国临时专利申请No.61/913,248的优选权。该申请主题的全部内部被纳入此处作为参考。

发明背景

技术领域

本发明的优选实施例涉及一种用于执行力测量的装置和方法，更具体地说，用于感应针尖与样品交互力的改进的探针显微镜，该探针显微镜可在感兴趣的针尖与样品作用力和虚假作用力信号之间提供实时辨别，即，典型的力谱或力分布实验中的偏转伪影。

相关技术说明

力谱涉及一种使探针接近样品并从样品缩回探针的控制方式，测量探针与样品的不同距离。在整个过程中监测交互力或相关的可观察交互。在接近和缩回期间力作为针尖与样品距离的功能，涉及力谱或力曲线。力谱一直以来是研究人员使用的主要方法，通过范围广泛的牵拉(分子被拉伸且观察展开或结合力)、压痕(探针被压入至表面，且观察样品的弹性，塑料性能或蠕变性能)、以及刮痕(探针被压入至样品，然后横向移动来研究磨损和涂层附着力)等技术来研究范围广泛的样品。针对这些子技术的每一个，专用仪器已被开发，例如用于牵拉的光学镊子或磁珠，用于压痕的专用纳米压痕仪，以及自动刮痕测试器。

在这方面，随着纳米技术的发展，从而可针对范围广泛的单分子样品进行机械性实验，由此，基础分子交互可直接被研究。通过近似pico-Newtons(pN＝10^-12N)的力敏感性，一种被称为原子力显微镜(AFM)的特殊类型的扫描探针显微镜(SPM)，提供优秀的工具来探测表面之间的基础力交互。原子力显微镜被用来探测探针和样品之间的力的性质，用于许多类型的交互力(被命名为范德瓦尔斯和静电力)，且优点在于该技术使用时不要求针尖或样品为导电的。一些示例性的绝缘和导电样品被研究，包括类似氮化硅的材料、金刚石、氧化铝、云母、玻璃、石墨、和各种有机材料。其他应用包括粘附、摩擦、和磨损的研究，包括亲水性硅、非晶碳、和润滑的二氧化硅表面上的毛细凝聚形成或抑制。

对于生物分子，力通常是重要的功能和结构参数。在类似DNA复制，蛋白质合成，和药物交互等的生物过程中，很大程度上受分子间作用力支配。然而，这些力非常小。通过pico-Newton的力敏感性，采用SPM来分析这些交互。在这方面，SPM通常被用来生成力曲线，提供特别有用的信息来分析非常小的样品(与个体分子一样小)或是具高度细节的大样品。

有关结构、功能、和力之间的关系的知识逐步形成，因此，特别是使用SPM的单分子力谱，已成为全能型的分析工具，用于研究单个生物分子在其原生环境中的结构和功能。例如，SPM的力谱被用来测量不同受体-配体***的结合力，观察蛋白质结构域的可逆性展开，研究原子间键合翻转水平的多聚糖弹性。此外，分子马达和其功能、DNA力学、以及DNA结合剂的操作，类似药物中的蛋白质也可被观察。此外，SPM能够针对生物标本进行纳米机械性测量(例如弹性)，从而提供类似细胞和蛋白质动力学课题的数据。

原子力显微镜力测量的另一主要应用是材料科学，其研究纳米尺寸薄膜和感兴趣集群的机械性能。例如，类似不断被缩小的集成电路的微结构，从大多数材料的已知性能中预测薄膜的机械行为变得越来越不准确。因此，不断需要更快的计算机和更大容量的存储器和储存装置来理解金属和其他常用材料的纳米力学变得越来越重要。

为了理解与使用原子力显微镜的实验相关的问题，有益的方法是检查原子力显微镜本身。原子力显微镜是一种通常使用尖锐的针尖和较低的力来使样品表面特征化至原子尺寸的装置。除了类似形貌成像的表面特征成像以外，原子力显微镜可探测样品及其表面的纳米机械性和其他基本属性。此外，原子力显微镜的应用延伸至测量胶体力、监测个体蛋白质中的酶活性、以及分析DNA力学的应用范围。

在原子力显微镜中，探针的针尖被引入至样品的表面，来检测样品特征中的变化。在针尖和样品之间提供相对的扫描移动，从而可在样品的特定区域获得表面特征数据，并且可以生成对应的样品表面映射。在此应注意，SPM还包括类似分子力探针(MFPs)的装置，同样使用探针来使样品性质特征化，但不扫描。

在原子力显微镜的一个应用中，样品或探针垂直地相对于样品的表面被上下转换，以响应与探针的悬臂运动相关的信号，整个表面被扫描来保持特定的成像参数(例如，保持设定点的振荡幅度)。在这种方式中，与该垂直运动相关的反馈数据可以被储存，然后用来构造样品表面图像，与被测量的样品特征相对应，例如，表面形貌。其他类型的图像直接从检测的悬臂运动或改型的信号(即，偏转、振幅、相位，摩擦等)中被生成，并由此通常可提供互补信息至形貌图像。

原子力显微镜的关键元件是探针。探针由微观悬臂构成，典型长度为10-1000微米，以及弹簧常数为0.001-1000N/m。悬臂被固定在其基座上，通过其自由端附近的针尖与样品交互。为了使测量局部化，原子力显微镜探针通常具有非常尖锐的尖顶(直径为几纳米以下)。通过在表面上扫描横向，该尖锐的针尖可实现高分辨率的形貌映射(通常选择用于力谱的兴趣区域)和材料特性，但相比较大的针尖更脆弱。力的范围通常可根据与针尖连接的悬臂刚度(弹簧常数)被应用或观察。为了存取不同范围的力，用户仅需改变探针。

原子力显微镜的第二个关键元件是微***或扫描仪，使悬臂基座和样品之间的相对位置被控制。针尖和样品的相对位置可以通过移动探针、样品、或上述两者的结合被控制。大多数的原子力显微镜扫描仪可在三维中控制针尖与样品的相对位置，可以是垂直于样品表面或大致与其平行。

在典型的力谱倾斜操作中，针尖相对于样品表面被移动(通常朝向表面)，直到满足一定的力或偏转触发阈值，此时***自动采取动作，例如改变运动方向或速度。另外，其他一些测量的变量(振幅、相位、偏转、电流、变形、侧向力等)可被用来代替力且“Z”和/或其他***可控制参数被调整(不同速率的倾倾斜、横向移动来刮痕，施加电偏置至针尖或样品、改变驱动振幅或频率等)应注意，范围广泛的力(几pN至几μN)可与原子力显微镜一起使用，使其在所有这些技术中被采用。此外，基于原子力显微镜的力谱可针对导电或非导电的样品在空气、液体、真空中进行，并且在广泛的温度范围内。这些特征使其在类似范德瓦尔斯的分子间作用力的性质，以及有关粘合、摩擦，磨损，塑性蠕变，粘弹性和弹性的分子折叠研究中被采用。

如上所述，当针尖接近样品和从样品表面上的点缩回时，简单的力曲线记录探针的针尖上的力，力的值经探针悬臂的偏转被表示。已知的弹簧常数，悬臂的变节可经胡克定律被直接转换成交互力。更复杂的测量被称为“力分布”，经上述的整个样品区获得的一组力曲线被定义。每个力曲线在样品表面上唯一的X-Y位置处被测量，且与X-Y点阵列相关的曲线与力数据的三维阵列或分布相结合。分布中点处的力值是位置(x，y，z)处探针的偏转。

参照图1A-1E和图2，示出使用SPM(AFM)的力谱所产生的典型力曲线。特别是，图1A-1E示出探针10的针尖14和样品16之间的作用力，在样品上选择的点(X，Y)处，使探针10的悬臂12偏转，从而针尖与样品的间隔以直交于样品表面的方向被调整。图2示出力的量级，以及样品位置函数，即，力曲线或剖面。

在图1A，探针10和16样品不接触，且通过正交地朝向样品表面来移动样品，从而两者之间的间隔变窄。在图2中，针尖与样品接近的点处测出力为零，经曲线的平坦部分“A”被反射。然后，探针10可能会经历长距离的吸引(或排斥力)，其在与表面接触之前将向下(或向上)偏转。这种效果在图1B中被示出。特别是，当针尖与样品的间隔变窄时，如果针尖14从样品受到足够的吸引力，可能会“跳”入来与样品16接触。在这种情况下，悬臂12的相应弯曲出现在力剖面上，如图2所示，在曲线部分处标有“B”。

现参照图1C，针尖14与样品16接触，悬臂则返回至零(非偏转)的位置，并向上移动，且样品被转换进一步朝向探针10。如果探针10的悬臂12足够硬，探针14可缩进至样品的表面。应注意，在这种情况下，力曲线的“接触部分”的斜率或形状可以提供有关样品表面的弹性信息。图2中曲线的部分“C”示出该接触部分。

在图1D中，加载探针12的悬臂10至所需的力值后，样品16的位移被逆转。由于探针10被从样品16撤回，针尖14可直接粘附至表面16，或是针尖14和样品16之间生成连接，例如通过分子，其中相反的两端被连接至针尖14和表面16。该粘附或连接导致悬臂14向下偏转来响应力。图2的力曲线示出，在部分“D”处悬臂14向下弯曲。最后，在图2中标有“E”的部分处，粘附或连接被打破，探针10从样品16释放，如图1所示。在该力曲线测量的部分中包含特别有用的信息，其中包含打破结合或拉伸连接的分子所需的力的测量。

在图2中的最大力是测量操作中最重要的特征。当预先定义的最大力达到时，也被称为触发力或触发阈值或简单的触发，压电式致动器将推动针尖远离样品，并执行缩回测量，如图2所示的曲线D。实际上，图2中的曲线C(接近)和D(缩回)应重叠。示出间隔仅为了便于观察。触发力的水平决定了测量***的性能水平。本领域目前的仪器可操作并触发几百pN至1nN的触发力。在力谱测量中需要较低的触发力。实际上，原子力显微镜测量偏转以及将偏转转换成力。触发力由预先定义的偏转值表示。当探针与样品不交互时，偏转保持不变。偏转相对于常数的变化通常是由于针尖与样品的交互，并用来测量针尖与样品交互力。

虽然SPMs在上述测量中特别有用，但该***仍旧具有问题。实验性地，在图1A-E和图2所示的例子中，力曲线测量的应用，例如，将循环式三角波电压模式应用至Z轴扫描仪的电极。该现有***在测量时往往缺乏灵活性，且为非循环式。三角波驱动信号使扫描仪扩大并以垂直方向来接触产生探针和样品之间的相对运动。在该***中，三角形波的振幅以及波频率可以被控制，从而在原子力显微镜悬臂针尖移动的力测量期间，研究人员可线性地变化距离和速度。

在非循环方式中通常需要修改力测量的参数，包括针尖与样品间隔被调整后的速度、暂停时间(例如，允许表面上针尖和分子之间的分子结合)等，来分析例如对应于复杂的力学模型的力。在Bruker纳米公司的美国专利Nos.6,677,697和7,044,007中公开了一种***和方法，力测量执行中的灵活性被提高，其全部内容被纳入此处作为参考。例如，针尖与样品作用力中的特定变化或变化率，或针尖与样品作用力的特定值可指示出一些有关样品的属性。相应地，该仪器改变对应于特定测量条件的力曲线测量参数(如移动的速度)。或是，例如，当位置(间隔)被控制时，该***可根据相对时间的力的路径来生成所需的力剖面，而不是相对时间的位置(间隔)路径。

尽管如此，仍然存在缺陷。特别是在进行测量时背景(或基线力)中的因素。图3示出，例如与图2的力曲线相关的偏转，包括偏转伪影的影响，且在此所述的因素，与探针针尖和样品之间的实际交互没有关联。如图所示，力曲线的基线，由于探针和样品被带入在位置中接触，且其中没有针尖与样品的交互，具有非理想的斜率“S”。如上所述，其可能是由含***漂移等的许多因素而引起，当试图触发基于特定针尖与样品作用力的力测量操作时，该偏转伪影可能会造成阈值触发力好像已经实现，但实际上没有，因此在试图测量pico尺寸的力时很明显会具有问题。

回到以前步骤，当针尖位于其倾斜的起始位置时，触发力可以是绝对的阈值，也可以是基于背景偏转的相对阈值。理想地，绝对触发可足以解决大多数实验类型，但是发现，当***没有完全对齐或具有长时间漂移的悬臂偏转时，使用“相对阈值”会简化操作。在大多数情况下，优选是相对触发，且针尖在足够远离样品处开始倾斜，由于其与样品交互，因此不受力的影响。但是尚未解决的问题是，测量的悬臂偏转不是自样品和针尖之间的力中发生变化(倾斜期间)，而是自测量“伪影”中产生。另一种方式，当没有测量伪影(测量基线＝0)时绝对触发较理想，且当常数偏移至伪影(基线＝常数)相对触发较为理想。当倾斜期间基线不恒定时，明显地，实际偏转和力可小于触发阈值或大于触发阈值。由于“虚假偏转”(针尖与表面交互之前的偏转)可影响触发、精度、可重复性，和偏转触发的精细控制，因此基线变化一直是原子力显微镜制造商和用户关注的主要问题。

为了提高力谱中实时触发的精度和可重复性，原子力显微镜制造商试图设计***，以减少虚假偏转。然而，由于光路和悬臂基础运动(参照图4A)的不理想而排除虚假偏转；与针尖上的力无关的悬臂弯曲，例如导致针尖随温度变化向下弯曲(参照图4B)的热效应；以及自样品的光散射(图4C–左边的探针50俯视图示出激光光斑52来自光束遍及杠杆宽度，与一些光L’横向洒在杆的两侧并至样品54)；或是非充分悬臂表面的干涉仍旧是需解决的问题。用于说明两种偏转伪影的数据在图5A(由于光干涉的偏转伪影和不理想的光路造成正斜率和力曲线调整40)和图5B(由于力曲线42中较强的光干涉44的偏转伪影，示出测量的偏转中正负斜率都较大)中被说明。应注意，由于开发商转向更短的悬臂来用于高频宽低噪声测量，上述影响中的一些被加重。

之前试图通过处理数据来解决该问题，主要限制于线下分析，并在获得后应用算法来修力谱。该算法通常计算基线斜率(从针尖还没有与表面交互的部分曲线，例如接近表面)，并将其从数据集减去。当针尖不接近样品(距离大于10纳米)，数据中的伪影通过消除偏转测量中的斜率被修正时，实际最大的力或触发力可被恢复。修正后的数据，作为一个整体，无论是接近还是缩回，用来在进一步的分析中导出样品性质。其虽然部分地解决了所述问题，但忽略了实际上针尖和样品可由于其经历的力而被改变。至少有三个独特的情况下，测量可能会受到不利影响。在一种情况下，斜率或偏转伪影的变化可达到预定的触发力(或用于偏转的触发阈值)。在这种情况下，原子力显微镜***的压电式致动器将基于该虚假触发缩回探针。

因此，所获得的力谱数据将不会反映任何针尖与样品的交互。其通常被称为虚假触发力曲线。另一种情况下，特别是由于探针接近样品，斜率向下倾斜时(进一步在图18中示出)，最大触发力可能大大高于所需的触发力。样品或探针可能会被不可逆地损伤。在第三种情况下，多个力曲线可能需要以相同的触发力被测量。在这种情况下，伪影偏转可以修改由于多个力曲线的各组之间伪影的时间或位置变化的单个触发。最大的问题是如何在整个倾斜被收集之前从重要数据中辨别伪影。在这种情况下，该***可基于无伪影数据来改变倾斜方向或速度，自动采取动作，施加偏置至针尖或样品，或调节另一个***可控制参数。

用于原子力显微镜的实时虚假偏转修正的示例在Bruker纳米公司的美国专利No.8,650,660中被提出(其全部内容被纳入此处作为参照)，其公开了被称为峰值力轻敲模式的使用，来执行机械性能测试。在这种情况下，假设该虚假偏转为“基本恒定”，且***升起探针来测量虚假偏转伪影且无交互作用，然后从所有后续的曲线中减去测量的伪影。但是，虚假偏转可能随着时间的推移以及位置的功能而变化。特别是，虚假偏转可能对于针尖和样品之间的距离非常敏感，从而不切实际来使用这种技术，而不是通过针尖接触先找到表面。用于实验的该方法以外的规则，是必须观察到针尖和样品的第一次接触，或当针尖特别脆弱时，针尖与样品作用力必须不能超越小于偏转背景的值。此外，当力测量被横向分离几十纳米以上时，该假设的恒定虚假偏转往往失败。

因此，需要一种实时辨别，(1)允许针尖或针尖上的功能组被保留；(2)当样品位于特定配置中且可能会由于力的任何进一步改变被破坏时(不可逆变形或分子从针尖脱离)，允许数据被收集；和(3)特定力达到时允许***执行其他动作(刮痕、保持、改变运动方向)。

发明内容

优选的实施方案为克服了现有***的缺点，提供一种操作原子力显微镜来执行力谱的方法，由于实际的针尖与样品交互能够从偏转中辨别偏转伪影。该***能够实时地执行上述方法而无需针对产生偏转伪影的背景作出任何假设，即，无需***设置、操作或环境的现有知识。

根据优选实施例的第一个方面，一种检测样品和原子力显微镜的探针之间的可观察交互的方法，包括在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个。然后所述方法中移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互。然后基于所述移动的步骤确定可观察交互。所述方法可从所述测量的可观察交互数据中辨别经实际探针与样品交互产生的可观察交互伪影和可观察交互，来导出无伪影可观察交互，并将其与触发进行比较。最后，在这种情况下，当所述无伪影可观察交互基本对应于所述触发时从所述样品缩回所述探针。

根据优选实施例的另一个方面，其中，所述可观察交互包括以下组中的至少一个：力；偏转；电交互(类似力、电流、电压)；磁交互；热交互；和电磁交互(类似散射近场光信号)。

根据优选实施例的另一方面，一种检测样品和原子力显微镜的探针之间的力的方法，包括：在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个；移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互。然后所述方法基于所述移动的步骤测量所述探针的偏转；从所述测量的偏转数据中辨别出经探针与样品交互所产生的偏转和偏转伪影，来导出无伪影偏转，并将其与预先定义的触发力进行比较。当所述无伪影偏转基本对应于所述触发力时，从所述样品缩回所述探针，以及确定所述样品和所述探针之间的所述力，其中，小于20pN的力可被检测出，并作为本技术中所使用的触发点。

根据本实施方案的另一个方面，所述辨别的步骤包括：基于与所述偏转相对应的数据，比较驱动倾斜和拟合线，并进一步包括基于所述比较推算出基线。

在本实施例中的另一个方面中，重复所述比较和推算的步骤，从而提供滚动基线直到满足触发阈值。

以下参照附图对本发明进行详细说明，对于本领域中的普通技术来说，本发明的上述及其他目的、特征、和优势将更清楚。然而，应理解，虽然详细的说明和具体的示例通过附图方式示出本发明的优选实施例，但其并不局限于此。在不脱离本发明的精神和范围下，可进行变化和修改，且本发明将包括所有这些修改。

附图简要说明

本发明的优选示例性实施例在附图中被示出，其中相同的参考照符号表示相同的部件，且其中：

图1A-1E示出SPM的探针，探针与样品的间隔被调整方，来使两者互相接近以及相对于另一个缩回，从而针尖与样品作用力可被映射；

图2是示出经图1A-1E中的操作所获得的力数据的示意图；

图3是对应于图2中示出的力曲线的探针偏转的示意图，示出偏转伪影；

图4A是示出由于光学检测方式的探针移动，偏转伪影的来源的示图；

图4B是示出由于热效应引起探针偏转，偏转伪影的来源的示图；

图4C是示出由于从样品的光散射，偏转伪影的来源的示图；

图5A和5B是分别示出由于不理想以及光学干涉，偏转伪影的来源的示图。

图6是探针和样品的间隔与偏转相比较的示图，示出虚假触发；

图7-9是偏转与倾斜距离相比较的一系列示意图，示出本发明的优选实施例的方法；

图10是示出优选实施例的方法的流程图；

图11是偏转与倾斜距离相比较的示意图，示出具正基线倾斜的触发；

图12是偏转与倾斜距离相比较的示意图，示出具负触发阈值(附着)的触发；

图13是偏转与倾斜距离相比较的示意图，示出具弯曲基线和线性拟合的触发；

图14是偏转与倾斜距离相比较的示意图，示出具弯曲基线和第二次拟合的触发；

图15是偏转与倾斜距离相比较的示意图，示出替代数据类型(振幅)的触发；

图16是力与倾斜距离相比较的示意图，示出双重触发(例如，向前和逆转触发)；

图17是示出使用优选的实施例来执行对应于触发的刮痕操作的示意图；

图18是示出被标示“现有技术”的具负基线斜率的常规触发的示意图；以及

图19是示出通过监测针尖和样品之间的“可观察交互”，优选实施例被实施的示意图，包括：例如针尖与样品的交互力。

优选实施例的具体说明

优选实施例采用实时测定变化的基线偏转，以保持所执行的力试验完整性，并实现sub-20pN针尖与样品交互力的分辨率。当数据被获取时，通过使用数学拟合来修正用于使探针与样品产生间隔的倾斜，并推算倾斜来接受伪影偏转，即，实际探针与样品的交互以外的偏转。

优选实施例说明了需解决的偏转伪影问题，其在图6中被示出。图6示出测量的偏转与Z中的移动相比较的绘图70。当探针与样品之间的间隔变窄来响应驱动信号或倾斜时，最终两者将相互影响。在这种情况下，示例性的触发力被设置为100pN。当偏转敏感性和弹簧常数为已知的，那么力和偏转之间的关系也是如此。偏转敏感性是由光检测器检测到的电压变化，悬臂偏转的单位距离。当测量的偏转对应于100pN，通常由用户在启动测量之前设置的一些动作被采取(例如，方向改变、倾斜速度增加等)。在该示例中，在倾斜的开始阶段，零基线点72处，针尖与样品相距较远，且没有测量到偏转。由于驱动使针尖和样品彼此更接近，虽然两者不交互但测量到一些偏转。曲线的区域74中的随机偏转数据示出偏转伪影，且如上所述，可能是由于各种因素(例如，原子力显微镜***的缺陷，例如倾斜运动或光干涉等)。

在曲线70的点76处(力F_i，Z位置Z₀)，探针与样品之间的实际互动开始。在该倾斜的点上，***应识别“零”的偏转点。如上所述，在现有的***中，该点不能被确切地识别，给出虚假偏转的非恒定性质。由于“Z”中的移动不断使探针与样品彼此更靠近，由于两者之间的力增加因此测量的偏转增加。该接触区域在区域78中被识别。仅在曲线的点80处，探针与样品间隔处(经位置Z_t被识别)所需的触发力F_t，对应于针尖与样品的交互力，相当于100pN。

然而，根据图6所示的数据，触发力阈值在伪影Z位置的Z_a处被满足，使测量的对应于100pN触发的偏转在该点上被实现。虚假偏转使触发条件被错误地满足明显影响实验。优选实施例的一个目的在于克服该限制，允许仪器来接受该虚假偏转并正确地识别所需的触发位置，Z_t。

现参照图7-9，示出通过原子力显微镜来识别用于指示实际探针与样品交互力的触发点，来执行力测量的方法。一般，该方法采用了自适应触发，通过使用驱动倾斜开始时所获得的一部分偏转数据来不断地识别瞬时基线，且所述一部分数据被实时地更新。由于倾斜使探针与样品(远离)接触，因此偏转伪影由于不依赖实际探针与样品交互的条件被接受。sub-20pN范围内的力测量(和原子力显微镜控制)被实现。

最初，在图7中，当探针与样品互相分开较大距离(0.5um至10um)时，倾斜开始且偏转经原子力显微镜被测量。该较大的间隔可由z-级的已知位置或光学显微镜的帮助被预先确定。随着倾斜距离的增大，通过利用特定“拟合长度”的偏转数据，含有较小目标倾斜数据集的“拟合线”被确定。例如，当目标倾斜尺寸为具1000数据点的1um(每数据点1nm)时，由于至样品的已知距离为至少500nm，因此拟合数据的子集可为100数据点，经用户可调整。子集数据包含100nm数据，其中针尖明显脱离与样品的短距离交互(短距离交互通常被定义为针尖与样品距离小于10nm)。随着图7中的拟合，该初始数据集将生成附加的推算数据(在示例中每纳米数据点为120数据点)。拟合和推算可以是线性或非线性的。任何越过拟合线在倾斜位置处被检测的偏转通过推算线被减去。减去后的净值为真正的偏转，并被用来与预先定义的触发进行比较。在图7中，伪影修正的偏转与目标触发进行了比较。由于其远低于目标，控制***现参照图8。

由于图7中触发条件在整个数据集中没有被满足，因此，在图8中拟合数据集由一组新的偏转测量数据代替。新的拟合数据集重新生成新的一组推算点，从偏转测量数据中被减去。该不同的伪影被除去的偏转，再次与预先定义的触发相比较。再次，修正的偏转低于触发阈值，因此z-piezo继续移动针尖，使其与样品更接近。当倾斜继续且足够长来收集足够数量的偏转数据来进行拟合时，由于倾斜继续，因此该拟合和推算过程被继续，提供滚动基线(拟合和推算)，从而提供真正的用于力实验的触发阈值的基线比较。在这种情况下，实际探针与样品交互的偏转在倾斜距离“R”处被感应(但如图所示，在这种情况下，触发阈值没有被满足)。

继续参照图9，拟合和推算程序继续来更新基线，并确保虚假偏转伪影被接受，且对应的影响被最小化，从而保持测量的偏转(D偏转踪迹)和触发阈值之间比较的完整性。如图9所示，推算被减去的偏转(即伪影修正的偏转)等于预设的触发，满足触发条件，和z-piezo将针尖从样品并移去，开始缩回测量。由此，可利用小于20pN甚至小于10pN范围内的触发力。此外，在涉及柔弱样品以及配备有功能化分子的探针针尖(例如针尖与样品的力太剧烈时，功能化分子可能被丢失)的实验中特别具有优势。应注意，也可采用静态阈值(如现有***中使用的，包括Bruker‘007专利中被提到的一个)来作为“安全触发”。虽然是选择性地，但其优选被用来保持***的完整性(探针等)。

图7-9中使用的数字符号只为示范。Z运动的实际测量范围可以是从100nm至200um；数据点或数据的子集可以是从10点至1000万数据点，仅被现代数字处理器的动态范围所限制。例如，32位处理器，该数据集的上限范围是4x10⁹数据点。

图10示出对应于图7-9的方法100。最初，倾斜(在Z中，导致探针和样品互相接近)在步骤102中开始，针尖和样品互相脱离不接触。然后方法100在步骤104中，基于所测量的偏转，以预先设定的百分比来确定倾斜是否大于对应所测量的偏转的基线拟合。

当为“否”(即，拟合线基本上对应于倾斜)时，在步骤106中收集基线数据。通过基线的检查(如果虚假偏转的数量可以接受时)，在步骤108中执行比较，以确定是否满足用户选择的触发阈值。如果满足，则在步骤110中停止倾斜，并可根据用户实验，来改变力测量的参数。如果未达到阈值，则控制返回至步骤104，以确定倾斜是否继续与基于测量的偏转数据所确定的拟合线相对应，并重复步骤。

另一方面，在步骤104中，当以设定的百分比，倾斜不对应于拟合线时(例如，倾斜大于拟合百分比)，在步骤112中，方法100确定倾斜是否大于拟合线百分比和推算线百分比的组合，所述推算线基于拟合线并从其中延伸。如果不是，在步骤114中，方法100针对当前倾斜位置推算固定的基线，如图7所示。然后在步骤108中，可如上所述比较触发阈值。当另一方面倾斜不对应拟合线百分比和推算百分比时，在步骤116中，方法100执行最小平方拟合，优选是推算区域中添加头数据并去除尾数据。步骤108中，该操作允许方法100在比较触发阈值之前针对当前倾斜Z位置推算滚动基线。

总之，通过采用常规数学拟合(线性，二阶等)与推算基线的组合，优选实施例能够在本质上实时跟踪真正的基线，从而辨别虚假偏转伪影。图11-14示出虚假偏转伪影如何在不同情况下被修正。图11示出具正基线斜率的触发。图12示出具负基线斜率的触发，例如在粘附过程中。图13示出当基线弯曲时的触发。在这种情况下，使用线性拟合，向前或逆转触发。在这方面，可在优选实施例的环境中使用一些替代，包括使用不同的数据类型，例如触发振幅，以及其他类型的倾斜，例如针尖偏置、样品偏置、振幅、频率等。

通过精确测定实际针尖与样品交互力在sub-20pN范围内，各种力谱实验可采用该优选实施例。例如，如图15所示，可采用正负触发(在这种情况下触发振幅数据)。在图16中，采用了双重触发，其可在用于测量分子时被使用。向前触发被用来确定探针与样品之间的最大力以及伸缩回探针时的逆转触发(或样品)，例如，在分子随展开延伸时。特别是，在图16中，虚线曲线为朝向接触的倾斜，且实线曲线为原子力显微镜远离针尖样品接触的倾斜。如果不执行在此所述的修正来不断更新基线，测量则可能被突变性地放弃。

在图17中，示出一系列的偏转示图(图17A)，对应的Z位置(图17B)和相关的探针与样品之间的横向移动(图17B，示出这种情况下的“X”)，在满足触发条件时执进常规的“刮痕”实验(例如，适合所需刮痕的针尖与样品交互力)。更具体地说，与常规的力曲线(如图17(a)的实线曲线)不同，探针接近样品，并立即从其中缩回，在这种情况下，针尖接近样品，并在其从中缩回之前(点线)停留在样品上一段时间。对应的Z位置在图17(b)中被示出。如图17(c)所示，在接近(区域120)和收缩(区域124)时段期间，探针不以X方向移动。但是，当针尖位于样品之上具有控制的触发力(区域122)时，针尖以X方向移动，导致样品上的“刮痕”操作，具控制的触发力。基于原子力显微镜的刮痕纳米刻蚀的示例在纳米研究报告2011,6(1):518中被说明，其内容为使用具金刚石碳(DLC)涂层的硅探针原子力显微镜，在硅表面上纳米图案化。

应注意，进一步涉及针尖与样品交互(上述力之外)相关的“可观察交互“的选择性实施并在图19中被示出。例如，可观察交互可包括以下组中的至少一个：力、偏转、电交互(例如，力、电流、电压)、磁交互、热交互、以及电磁交互，包括散射近场光信号。此外，虽然“倾斜距离”在此被说明作为Z位置，但也可采用其他可控参数，例如，针尖偏置、样品偏置、频率、振幅等。

虽然发明者通过最优选的实施例说明了本本发明，但本发明并不局限于此。明显地，在不脱离本发明概念的精神和范围的前提下，可对本发明的特征进行各种增加、修改、和重配置。例如，虽然在此所述的曲线拟合和推算方法是优选的，但选择性地，***可涉及，例如a)算出间隔偏转点的平均值，用来与推算值进行比较，或b)数据曲线的不同部分的斜率被计算，以及斜率比被计算，用来与预设的触发进行比较。

Claims (11)

1.一种具有与样品交互的探针的原子力显微镜，所述原子力显微镜包括：

扫描仪，在三维中控制针尖与所述样品的相对位置；

Z轴扫描仪，移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互；

光检测器，测量所述探针的偏转；

处理器，在所述移动的步骤期间通过不断确认基线，从所述测量的偏转数据中辨别经探针与样品交互产生的偏转和偏转伪影，来导出无伪影偏转，并将其与预先定义的触发力进行比较；

其中，当所述无伪影偏转对应于所述触发力时，所述Z轴扫描仪从所述样品缩回所述探针；以及

其中，所述处理器确定所述样品和所述探针之间的力，其中，所述力小于 20pN。

2.根据权利要求1 所述的原子力显微镜，其中，

使用所述力作为触发，来改变与所述移动的步骤相关的参数。

3.根据权利要求2 所述的原子力显微镜，其中，

所述参数为速度、方向和力梯度中的至少一个。

4.根据权利要求1 所述的原子力显微镜，其中，

所述处理器基于与所述偏转相对应的数据，比较驱动倾斜和拟合线，并基于所述比较进一步推算出所述基线。

5.根据权利要求4 所述的原子力显微镜，其中，

所述拟合线通过执行最小平方拟合被确定。

6.根据权利要求5 所述的原子力显微镜，其中，

所述处理器提供滚动基线直到满足触发阈值。

7.一种检测样品和原子力显微镜的探针之间的力的原子力显微镜，所述原子力显微镜包括：

压电式致动器，在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个；

Z轴致动器，移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互；

光检测器，响应所述探针与样品交互测量所述探针的偏转；以及

处理器，使用所述测量的偏转，随着所述Z轴致动器移动所述探针和所述样品中的至少一个，实时地来确定瞬时基线。

8.一种具有与样品交互的探针的原子力显微镜，所述原子力显微镜包括：

压电式致动器，在所述样品的兴趣位置处定位所述探针和所述样品中的至少一个；

Z轴致动器，移动所述探针和所述样品中的至少一个来减少其之间的间隔并使所述探针和所述样品交互；

光检测器，基于所述移动的步骤测量所述探针与所述样品之间的可观察交互；

处理器，从所述可观察交互确定可观察交互伪影，并且，导出无伪影可观察交互，其中，所述处理器对所述无伪影可观察交互与触发进行比较；以及

其中，所述Z轴致动器，当所述无伪影可观察交互对应于所述触发时，从所述样品缩回所述探针。

9.根据权利要求8 所述的原子力显微镜，其中，所述可观察交互包括以下组中的至少一个：力、偏转、电交互、磁交互、热交互和电磁交互。

10.根据权利要求9所述的原子力显微镜，其中，所述可观察交互是电交互，并且，所述电交互是力、电流以及电压中的一个。

11.根据权利要求9所述的原子力显微镜，其中，所述电磁交互基于散射近场光信号。

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