Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и других характеристик объектов, преимущественно в биологии, с одновременным оптическим наблюдением объекта в проходящем через объект свете. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом, содержащий основание, пьезосканер, держатель объекта с объектом, расположенный с возможностью взаимодействия с зондом, сопряженным с блоком анализа и оптической системой наблюдения с осветителем, оптически сопряженной с объектом и осветителем, а также блок сближения зонда с объектом, находящийся во взаимодействии с основанием, введены первое зеркало, оптически сопряженное с объектом и закрепленное на блоке анализа, установленном на блоке сближения зонда с объектом с возможностью съема, второе зеркало, оптически сопряженное с объектом посредством первого зеркала и установленное на блоке сближения зонда с объектом, осветитель состоит из источника света и конденсора, оптически сопряженных с объектом, при этом держатель объекта с объектом установлены на основании, зонд закреплен на пьезосканере, расположенном на блоке сближения зонда с объектом, а оптическая система наблюдения расположена с противоположной стороны объекта относительно зонда. Технический результат: подобное выполнение СЗМ повышает разрешение СЗМ, расширяет функциональные возможности и улучшает качество наблюдения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и других характеристик объектов, преимущественно в биологии, с одновременным оптическим наблюдением объекта в проходящем через объект свете.

Известны СЗМ [1], [2], содержащие пьезопривод с зондом, вертикально установленным к объекту, а также зеркало, сопряженное с оптической системой наблюдения и установленное вблизи зонда.

К недостаткам таких СЗМ можно отнести невозможность одновременно со сканированием наблюдения объектов, например, биологических, с большим разрешением, т. к. для этого требуется подвод фокусирующего объектива оптической системы наблюдения на минимальное (порядка 1 мм) расстояние к объекту, что не обеспечивается указанной конструкцией СЗМ. (В указанных устройствах величина оптического пути от кантилевера к объективу зависит от половины диаметра объектива и размеров зеркала, что практически не может быть в сумме менее 1 мм) Известны также СЗМ, совмещенные с инвертированным оптическим микроскопом (ИОМ), [3] , [4], которые включают в себя пьезопривод с зондом, вертикально расположенный к объекту исследований и установленный на подвижной каретке механизма подвода зонда. Вблизи зонда установлено зеркало, сопряженное с оптической системой наблюдения за полем сканирования. Микроскоп содержит также ИОМ с осветителем объекта, установленным на вертикальной штанге над объектом.

Недостатком указанных СЗМ, совмещенных с ИОМ, являются ограниченные функциональные возможности таких микроскопов. Это связано с тем, что при работе с биологическими объектами по методикам в проходящем свете невозможно одновременное сканирование и наблюдение за полем сканирования на объекте с оптимальным освещением, так как осветитель ИОМ, формирующий осветительный пучок, не используется.

Известен также сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с оптическим микроскопом, содержащий основание, с пьезосканером с держателем объекта, расположенным с возможностью взаимодействия с зондом (кантилевером), сопряженным в свою очередь с системой слежения за кантилевером и оптической системой наблюдения с осветителем за полем сканирования объекта, а также устройство сближения зонда с образцом [5].

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения. Оно позволяет, в отличие от микроскопов [3, 4], проводить измерения одновременно со сканированием, однако имеет недостатки, которые заключаются в том, что: 1. Объект расположен на пьезосканере, что приводит к невозможности наблюдения образца на просвет и сужает функциональные возможности устройства. (Размещение объектива микроскопа внутри пьезосканера практически невозможно, т.к. он является сложным электромеханическим устройством, и это привело бы к усложнению конструкции и снижению его надежности.) Кроме этого, размещение объекта на пьезосканере уменьшает резонансную частоту устройства и, соответственно, его разрешение.

2. Связь оптической системы наблюдения с блоком кантилевера (зонда) увеличивает его массу, снижает резонансную частоту устройства и, соответственно, его разрешение.

3. Осевое, относительно зонда и объекта, расположение оптической системы наблюдения и неиспользование ее центральной части ухудшает качество изображения и снижает функциональные возможности за счет ухудшения условий наблюдения части объекта, непосредственно расположенного за кантилевером.

Технический результат данного изобретения заключается в повышении разрешения СЗМ, расширении функциональных возможностей и улучшении качества наблюдения.

Указанный результат достигается за счет того, что в сканирующем зондовом микроскопе, содержащем основание, пьезосканер, держатель объекта с объектом, расположенный с возможностью взаимодействия с зондом, сопряженным с блоком анализа и оптической системой наблюдения, оптически сопряженной с объектом и осветителем, а также блок сближения зонда с объектом, находящийся во взаимодействии с основанием, введены первое зеркало, оптически сопряженное с объектом и закрепленное на блоке анализа, установленном на блоке сближения зонда с объектом с возможностью съема, второе зеркало, оптически сопряженное с объектом посредством первого зеркала и установленное на блоке сближения зонда с объектом, осветитель состоит из источника света и конденсора, оптически сопряженных с объектом, при этом держатель объекта с объектом установлены на основании, зонд закреплен на пьезосканере, расположенном на блоке сближения зонда с объектом и оптически сопряжен с первым и вторым зеркалами, причем оптическая система наблюдения расположена с противоположной стороны объекта относительно зонда.

Второй вариант выполнения СЗМ содержит блок сдвига оптической оси, установленный между осветителем и конденсором с возможностью съема, источник света закреплен на оси образца перпендикулярно его плоскости, а конденсор имеет два фиксированных положения: первое - между блоком сдвига оптической оси и вторым зеркалом, а второе - между осветителем и объектом.

Третий вариант выполнения СЗМ содержит поворотную штангу, закрепленную на основании, сочлененную с источником света и конденсором и установленную с возможностью поворота и оптического сопряжения либо со вторым зеркалом, либо с объектом.

На фиг. 1 изображен СЗМ, совмещенный с ИОМ.

На фиг. 2 схематически изображен вариант использования СЗМ с переустановленным конденсором.

На фиг. 3 изображен вариант выполнения СЗМ с поворотным осветителем.

Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом, содержит основание 1 (фиг. 1), на котором установлен держатель 2 объекта 3, блок сближения 4 кантилевера 5 (зонда) с объектом 3, находящийся во взаимодействии с основанием и с возможностью сочленения, например, с шаговым двигателем 6 (подробнее крепление объектов, блоки сближения и принцип их работы см. [6, 7]). Кантилевер 5 закреплен (см. [6, 7]) на пьезосканере 7 (изображен условно), который в свою очередь закреплен на условно изображенной оптической системе слежения и регистрации 8 (блоке анализа) за кантилевером 5 (см. подробнее [1, 2]). Данное устройство помимо использования кантилевера для анализа поверхности в качестве зонда может использовать иглу туннельного микроскопа [8]. В этом случае блок 8 будет представлять собой блок анализа туннельного тока (см., например, [8]).

Блок 8 с первым зеркалом 9, оптически сопряженным с объектом 3, установлены (с возможностью съема на блоке сближения 4, на котором также закреплено второе зеркало 10, оптически сопряженное с объектом 34, с конденсором 11 и посредством элемента сдвига оптической оси 12 (например, призмы 13) с источником света 14, которые закреплены таким образом, что их оптическая ось сопряжена с объектом 3. Конденсор 11 с элементом сдвига оптической оси 12 может быть закреплен на основании 1 (не показано), при этом предусмотрен съем элемента 12, а также съем и переустановка конденсора 11 в положение Б на оси осветитель 14 - объект 3 (фиг. 2). Следует заметить, что конденсор 11 установлен таким образом, что обеспечивается оптимальная подсветка объекта 3 как в положении А, так и в положении Б в случае съема блока 8 и элемента 12.

С противоположной стороны держателя объекта 2 относительно зонда 5 установлена оптическая система наблюдения, состоящая, например, из объективов 15, закрепленных на турели 16. Блок 8, двигатель 6 и объект 3 подключены к блоку управления 17 (см. [7, 8]).

В варианте, изображенном на фиг. 3, СЗМ содержит поворотную штангу 18 и устройство подвижки 19 с фиксатором (не показан), сочлененные с источником света 20 и конденсором 21, установленными с возможностью поворота и оптического сопряжения со вторым зеркалом 10 (положение В) и объектом 3 (положение Д). Конденсоры, изображенные на фиг. 1, 2, 3, имеют осевую юстировочную подвижку (не показана).

Устройство работает следующим образом. При снятом блоке 8 объект 3 закрепляют (например, посредством пружинных лапок, клея, припоя и т.п.) на держателе 2. Зонд 5 закрепляют (используя те же возможности) на пьезосканере 7. После этого блок 8 устанавливают на блоке сближения 4 и осуществляют подвод зонда 5 к объекту 3 (см. подробнее [6, 7]). Процесс подвода наблюдают с помощью оптической системы наблюдения, которая также позволяет выбирать зону измерения. После этого проводят процесс сканирования и измерения поверхности объекта (см. подробнее 7). При съеме элемента 12 и переустановке конденсора 11 из положения А в положение Б, а также при повороте штанги 18 из положения В в положение Д можно наблюдать объект 3 и проводить его предварительную установку. (При снятом блоке 8).

Введение первого зеркала 9 позволяет формировать осветительный пучок и полностью его использовать для подсветки перпендикулярной плоскости объекта, что улучшает качество наблюдения.

Введение второго зеркала 10, закрепленного на блоке 4, в совокупности с зеркалом 9, позволяет вынести осветитель за пределы блока 4, что уменьшает его массу, увеличивает резонансные частоты и повышает разрешение устройства.

Расположение держателя объекта 2 на основании 1 повышает резонансные частоты в системе зонд - объект, что также повышает разрешение СЗМ и расширяет функциональные возможности за счет использования объектов различных объемов и форм.

Размещение оптической системы наблюдения с противоположной стороны относительно кантилевера 5 (зонда) позволяет использовать объективы с большим увеличением благодаря возможности их подвода к объекту на расстояние порядка 1 мм, кроме этого, частично улучшается наблюдение объекта, не загороженного кантилевером. При указанном размещении оптической системы становится также проще механически развязать систему наблюдения и основание 1, что также улучшает частотные характеристики системы и повышает разрешение.

Использование съемного конденсора 11, а также поворотной осветительной системы позволяет проводить предварительную установку объекта 3, что расширяет функциональные возможности прибора и может приводить к повышению качества наблюдения.

Источники информации 1. US Patent N 5463897, МКИ Н 01 J 37/00, 1995 г.

2. US Patent N 6032518, МКИ Н 01 J 37/00, 2000 г.

3. Рекламный проспект фирмы Digital Instruments, NanoScope, Atomic Force Microscopes, 1996 г.

4. Рекламный проспект фирмы Digital Instruments, The Bioscope, Atomic Force Microscope, 1994 г.

5. Патент ЕРА N 0527448, МКИ G 01 B 7/34, 1992г.

6. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др.. Сенсорные системы т. 12, 1, 1998 г., с. 99-121.

7. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И. Успехи химии 64 (8), 1995 г., с. 818-833.

8. Сканирующая туннельная микроскопия. B.C. Эдельман, ПТЭ 5, 1989 г. с. 25-49.

Формула изобретения

1. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом, содержащий основание, пьезосканер, держатель объекта с объектом, расположенный с возможностью взаимодействия с зондом, сопряженным с блоком анализа и оптической системой наблюдения с осветителем, оптически сопряженной с объектом и осветителем, а также блок сближения зонда с объектом, находящийся во взаимодействии с основанием, отличающийся тем, что в него введены первое зеркало, оптически сопряженное с объектом и закрепленное на блоке анализа, установленном на блоке сближения зонда с объектом с возможностью съема, второе зеркало, оптически сопряженное с объектом посредством первого зеркала и установленное на блоке сближения зонда с объектом, осветитель состоит из источника света и конденсора, оптически сопряженных с объектом, при этом держатель объекта с объектом установлены на основании, зонд закреплен на пьезосканере, расположенном на блоке сближения зонда с объектом, а оптическая система наблюдения расположена с противоположной стороны объекта относительно зонда.

2. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом, по п. 1, отличающийся тем, что в него введен блок сдвига оптической оси, установленный между осветителем и конденсором с возможностью съема, источник света закреплен на оси образца перпендикулярно его плоскости, а конденсор имеет два фиксированных положения: первое - между блоком сдвига оптической оси и вторым зеркалом, а второе - между осветителем и объектом.

3. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом, по п. 1, отличающийся тем, что СЗМ содержит поворотную штангу, закрепленную на основании, сочлененную с источником света и конденсором и установленную с возможностью поворота и оптического сопряжения либо со вторым зеркалом, либо с объектом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3