Сканирующий зондовый микроскоп с жидкостной ячейкой

 

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к устройствам, обеспечивающим анализ поверхности образцов с использованием жидкостных ячеек методом сканирующей зондовой микроскопии. Сущность: в сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) с жидкостной ячейкой, содержащий платформу, держатель кантилевера, кантилевер, держатель образца с образцом, магнитный захват, оптический блок слежения за кантилевером, пьезосканер, систему предварительного сближения зонда и образца, резервуар с жидкостью и блок управления, введена плита, установленная на платформе. Держатель кантилевера включает промежуточный фланец с магнитными и немагнитными участками, при этом держатель кантилевера содержит призму с n-поверхностями для закрепления кантилевера. При этом резервуар с жидкостью открыт сверху и установлен на платформе, держатель образца расположен в резервуаре с жидкостью, оптический блок слежения за кантилевером закреплен на плите, а система предварительного сближения зонда и образца размещена между пьезосканером и плитой. Подобное выполнение СЗМ позволяет расширить функциональные возможности прибора и повысить его разрешение. 3 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим анализ и модификацию поверхности образцов в жидкой среде с использованием жидкостных ячеек различной конфигурации методом сканирующей зондовой микроскопии.

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) с электрохимической ячейкой, содержащий механический блок с системами сближения зонда с образцом и сканирования, а также блок управления зондом с зондом, расположенным в электрохимической ячейке [1].

Недостаток указанного устройства заключается в невозможности его использования в атомно-силовом режиме, что снижает функциональные возможности прибора.

Известен также сканирующий зондовый микроскоп с жидкостной ячейкой, содержащий платформу с пьезосканером с магнитным захватом образца, держатель кантилевера, содержащий оптически прозрачную призму с кантилевером, установленным на ее поверхности под фиксированным углом, уплотнение, установленное между плитой и держателем образца, оптический блок слежения за кантилевером, включающий лазер и фотоприемник с системами юстировочной подвижки, оптически сопряженные с кантилевером, и блок предварительного сближения образца с кантилевером, установленный на оптическом блоке [2].

Недостатки указанного устройства заключаются в том, что образец закреплен на пьезосканере. Это приводит к тому, что в данной конструкции невозможно использовать образцы произвольной формы и размеров без ухудшения разрешения прибора, которое может возникнуть в результате уменьшения резонансной частоты системы пьезосканер-образец, что приводит, в свою очередь, к уменьшению функциональных возможностей.

Второй недостаток связан с тем, что поверхность для закрепления кантилевера расположена под одним фиксированным углом к плоскости образца, что затрудняет работу со средами с различными коэффициентами преломления, т.к. это приводит к увеличению подвижки фотоприемника, что не всегда возможно, особенно при малогабаритном исполнении прибора, что, вообще говоря, является немаловажным фактором в зондовой микроскопии (Увеличение размеров элементов приборов приводит к увеличению их массы, что, соответственно, уменьшает резонансные частоты, увеличивает амплитуды нефункциональных колебаний и снижает разрешение).

Третий недостаток обусловлен тем, что магнитный захват образца расположен на пьезосканере, что увеличивает его массу и (см. выше) снижает разрешение.

Четвертый недостаток связан с тем, что магнитный захват представляет собой единый магнит. Это усложняет процесс постановки объекта из-за неизбежного удара держателя объекта о столик и снижает надежность за счет возможного разрушения пьезосканера.

Пятый недостаток заключается в том, что конструкция жидкостной ячейки имеет закрытую конфигурацию, а это накладывает ограничения на размер объекта и невозможность использования стандартных ячеек.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей СЗМ и повышение его разрешающей способности.

Указанная задача достигается за счет того, что в сканирующий зондовый микроскоп с жидкостной ячейкой, содержащий платформу, держатель кантилевера, включающий оптически прозрачную призму с кантилевером, держатель образца с образцом, магнитный захват, оптический блок слежения за кантилевером, включающий лазер и фотоприемник с системами юстировочной подвижки, оптически сопряженные с кантилевером, пьезосканер, систему предварительного сближения зонда и образца, резервуар с жидкостью и блок управления, введена плита, установленная на платформе, держатель кантилевера включает промежуточный фланец с магнитными и немагнитными участками, оптически прозрачная призма держателя кантилевера содержит n-поверхностей, расположенных под разными углами к плоскости образца, магнитный захват представляет собой промежуточный фланец с магнитными и немагнитными участками, сопряженный с набором магнитов по числу магнитных участков, закрепленных на плите, резервуар с жидкостью открыт сверху и установлен на платформе, держатель образца расположен в резервуаре с жидкостью, оптический блок слежения за кантилевером, включающий лазер и фотоприемник с системами юстировочной подвижки, оптически сопряженные с кантилевером, закреплен на плите, а система предварительного сближения зонда и образца размещена между пьезосканером и плитой.

Изобретение поясняют чертежи, где: на фиг. 1 изображен общий вид сканирующего зондового микроскопа с жидкостной ячейкой; на фиг.2 - вид на магнитный захват; на фиг.3 - блок-схема сканирующего зондового микроскопа.

Сканирующий зондовый микроскоп с жидкостной ячейкой содержит промежуточный фланец 1 (фиг.1, 2) c n-магнитными участками 2 (например, ферромагнитными вставками), сопряженными с n-магнитами 3, которые в свою очередь закреплены в стойке 4 с отверстием 5, установленной на платформе 6.

(Вставки 2 и магниты 3 установлены по окружности и с зазорами. Зазоры промежуточного фланца 1 представляют собой соответственно немагнитные участки. Промежуточный фланец 1 с магнитными и немагнитными участками, сопряженный с набором магнитов 3, закрепленных посредством стойки 4 на плите 6, представляют собой магнитный захват).

На промежуточном фланце 1 закреплена также призма 7 с n-скосами 8 и 9 (в случае n>2, остальные не показаны), на одном из которых закреплен например, посредством пружины 10 кантилевер 11 (остальные пружины не показаны). Промежуточный фланец 1 в совокупности с оптически прозрачной призмой 7 и пружиной 10 представляют собой держатель кантилевера. Кантилевер 11 оптически связан с блоком лазера 12 с системой юстировочной подвижки 13, сопряженным с системой слежения за кантилевером 14, которая с целью упрощения чертежей изображена условно и в материалах заявки не описана. Ознакомиться с ее выполнением можно подробно в [3, 4, 5].

Кантилевер 11 также оптически связан (согласно законам отражения) с блоком фотоприемника 15 с системой юстировочной подвижки 16. Устройства 12, 13, 15 и 16 представляют собой оптический блок слежения за кантилевером и закреплены на плите 6, которая посредством стоек 17 с опорами 18 установлена на базовой платформе 19, на ней же установлен резервуар 20 (например, чашка Петри) с жидкостью 21.

Промежуточный фланец 1 установлен на опорный элемент 22 с отверстием 23, который закреплен на пьезосканере 24 с системой предварительного сближения зонда и образца 25, размещенной на плите 6.

В резервуаре 20 закреплен держатель 26 с образцом 27 (Конкретное выполнение держателя 26 не описано. Это могут быть пружинные лапки, магнитный захват и т.п.).

Магнитный захват (фиг.2) выполнен таким образом, что магнитные вставки 2 установлены по периферии фланца 1 с зазорами. Соответственно и магниты 3 установлены с зазорами в стойке 4.

Блок-схема СЗМ (фиг.3) содержит блок лазера 12, блок фотоприемника 15, пьезосканер 24, устройство грубого подвода 25, подключенные к блоку управления 28. Блок-схема подробнее не описана, т.к. имеет вспомогательную функцию. Подробнее с аналогичными схемами можно ознакомиться в [7].

Устройство работает следующим образом. Посредством пружины 10 закрепляют кантилевер 11 в зоне пересечения оптических осей от лазера и блока фотоприемника. Устанавливают фланец 1 на опорный элемент 22 таким образом, чтобы магнитные вставки 2 были расположены между магнитами 3, после чего поворачивают фланец 1 так, чтобы вставки 2 оказались напротив магнитов 3. Закрепляют образец 27 на держателе 26. Устанавливают плиту 6 на платформу 19.

Включают устройство 25 и производят сближение кантилевера 11 с образцом 27. После достижения необходимого расстояния между ними (см. подробнее [6, 7] ) устройство 25 останавливают и посредством пьезосканера 24 осуществляют сканирование образца 27 кантилевером 11, при этом посредством блока управления 28 производят анализ поверхности образца 27 (см. подробнее [8]).

Размещение кантилевера на пьезосканере, а также использование жидкостной ячейки открытой конфигурации позволяет исследовать образцы произвольной формы и размеров (в соответствии с размерами ячейки), что расширяет функциональные возможности прибора и повышает разрешения прибора.

Использование оптически прозрачной призмы с n-поверхностями для закрепления кантилевера, расположенных под разными углами к плоскости образца, позволяет проводить исследования образцов с использованием различных сред с различными коэффициентами преломления, без переюстировки прибора, что расширяет его функциональные возможности и повышает его разрешение.

Размещение магнитов магнитного захвата вне сканера улучшает разрешение СЗМ. А выполнение всего магнитного захвата секционированным упрощает процесс настройки.

Вместе с этим за счет периферийного закрепления держателя увеличивается надежность его закрепления и повышается разрешение прибора.

Источники информации 1. Патент EP 0318289 А, G 01 N 27/00, 1987.

2. Патент US 4935634, G 01 N 21/86, 1990.

3. Патент US 5440920, G 01 B 5/28, 1995.

4. Патент US 5874668, G 01 B 5/28, 1999.

5. Патент US 5587523, G 01 B 5/28, 1996.

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

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

8. Atomic force microscopy of DNA and Bacteriophage in air, water and propanol: The role of adhesion forces. Y. L. Lyubchenko, P.I. Oden, D. Lampner, S.M. Lindsay and K.A. Dunker, Nucleic Acids Research 21, 1117-1123 (1993).

Формула изобретения

Сканирующий зондовый микроскоп с жидкостной ячейкой, содержащий платформу, держатель кантилевера, включающий оптически прозрачную призму с кантилевером, держатель образца с образцом, магнитный захват, оптический блок слежения за кантилевером, включающий лазер и фотоприемник с системами юстировочной подвижки, оптически сопряженные с кантилевером, пьезосканер, систему предварительного сближения зонда и образца, резервуар с жидкостью и блок управления, отличающийся тем, что в него введена плита, установленная на платформе, держатель кантилевера включает промежуточный фланец с магнитными и немагнитными участками, оптически прозрачная призма держателя кантилевера содержит n поверхностей для закрепления кантилевера, расположенных под разными углами к плоскости образца, магнитный захват представляет собой промежуточный фланец с магнитными и немагнитными участками, сопряженный с набором магнитов по числу магнитных участков, закрепленных на плите, резервуар с жидкостью открыт сверху и установлен на платформе, держатель образца расположен в резервуаре с жидкостью, оптический блок слежения за кантилевером, включающий лазер, фотоприемник с системами юстировочной подвижки, оптически сопряженные с кантилевером, закреплен на плите, а система предварительного сближения зонда и образца размещены между пьезосканером и плитой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3