Способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа

Способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа относится к измерительной технике и может быть использован для исследования структур образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения. Согласно способу проводят подготовку поверхности 10 объекта 9 путем ее среза за счет относительного перемещения по третьей координате Z объекта 9 и ножа 3 с кромкой 4, расположенной вдоль второй координаты Y. Осуществляют сближение зонда 13 с поверхностью 10 объекта 9 по первой координате X, относительное сканирование зонда 13 и поверхности 10 объекта 9 в плоскости второй координаты Y и третьей координаты Z и проведение измерения поверхности 10 объекта 9 составлением карты поверхности 10 объекта 9. При этом подготовку поверхности 10 объекта 9 дополняют периодическим перемещением поверхности 10 объекта 9 относительно ножа 3. Технический результат изобретения заключается в повышении качества подготовки поверхности объектов к измерению и повышении качества зондовых измерений за счет уменьшения влияния неровностей срезанной поверхности объектов на процесс измерений. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам измерения зондовыми методами объектов после нанотомирования. Оно может быть использовано для исследования структур образцов, например, биоматериалов и изделий медицинского назначения.

Известен способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа, включающий подготовку поверхности объекта путем ее среза за счет относительного перемещения объекта и ножа по третьей координате Z, сближение зонда с поверхностью объекта по первой координате X, относительное сканирование зонда и поверхности объекта в плоскости второй координаты Y и третьей координаты Z и проведение измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа с составлением карты поверхности объекта [1]. Этот способ выбран в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостаток этого способа связан с низким качеством подготовки поверхности объектов к измерению, что приводит к снижению качества зондовых измерений за счет негативного влияния неровностей срезанной поверхности объектов на процесс измерений.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества подготовки поверхности объектов к измерению и, соответственно, повышении качества зондовых измерений за счет уменьшения влияния неровностей срезанной поверхности объектов на процесс измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа, включающем подготовку поверхности объекта путем ее среза за счет относительного перемещения по третьей координате Z объекта и ножа с кромкой, расположенной вдоль второй координаты Y, сближение зонда с поверхностью объекта по первой координате X, относительное сканирование зонда и поверхности объекта в плоскости второй координаты Y и третьей координаты Z и проведение измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа с составлением карты поверхности объекта, подготовку поверхности объекта дополняют периодическим перемещением поверхности объекта относительно ножа.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют по второй координате Y.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и постоянной частотой.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и переменной частотой.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и постоянной частотой.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и переменной частотой.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют по третьей координате Z.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют по второй координате Y и по третьей координате Z.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют по первой координате X.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют после составления карты физических свойств поверхности объекта и в соответствии с неоднородностью физических свойств поверхности объекта.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта осуществляют после составления карты морфологии поверхности объекта и в соответствии с неоднородностью морфологии поверхности объекта.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности объекта дополняют управляемым перемещением поверхности объекта по первой координате X в соответствии с морфологией поверхности объекта.

На фиг. 1 изображена компоновочная схема сканирующего зондового микроскопа, совмещенного с устройством модификации поверхности объекта, на котором может быть реализован предложенный способ измерения поверхности объекта. Он содержит основание 1, на котором установлен модуль ножа 2 с ножом 3. При этом нож 3 включает режущую кромку 4, расположенную вдоль второй координаты Y. Модуль ножа 2 имеет возможность перемещения по первой координате X и по второй координате Y. На основании 1 установлен также модуль объекта 5 с пьезосканером 6, включающим держатель 7, на который устанавливают носитель 8 объекта 9 с поверхностью 10. Модуль объекта 5 имеет возможность перемещения пьезосканера 6 по направлению третьей координаты Z. Пьезосканер 6 обеспечивает перемещения объекта 9 по координатам X, Y, Z. Нож 3 расположен с возможностью взаимодействия с объектом 9. Закрепление объекта 9 на носителе 8 может быть выполнено посредством клея, например эпоксидной смолы. Закрепление носителя 8 на держателе 7 может быть магнитное. Для этого держатель 7 может быть изготовлен, например, из сплава самарий-кобальт либо включать вставку из этого сплава (не показана). Носитель 8 при этом может быть изготовлен из никеля. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством модификации поверхности объекта, содержит также модуль зонда 11 с модулем подвижки 12, в котором закреплен зонд 13. При этом модуль подвижки 12 установлен на модуле зонда 11 с возможностью перемещения по первой координате X, а зонд 13 имеет возможность взаимодействия с поверхностью 10 объекта 9. В качестве зонда 13 обычно используют кварцевый резонатор с заострением (не показан). Модуль зонда 11 может иметь возможность перемещения по координатам Y, Z для поиска нужной зоны сканирования зондом 13 поверхности 10. Элементы 1, 2, 3, 4, 5 являются стандартными составляющими микротома и описаны в [1, 2, 3, 4]. Элементы 6, 7, 8, 11, 12, 13 являются стандартными составляющими сканирующего зондового микроскопа и описаны в [1, 2]. Модуль ножа 2, модуль объекта 5, модуль зонда 11 и модуль подвижки 12 подключены к блоку управления 14. В одном из вариантов основание 1 с расположенными на нем модулями может быть размещено в криокамере (не показано). Этот вариант подробно описан в [2, 5].

Работа сканирующего зондового микроскопа, совмещенного с устройством модификации поверхности объекта, осуществляется следующим образом. Закрепляют носитель объекта 8 с объектом 9 на держателе 7. Закрепляют зонд 13 в модуле подвижки 12. Используя модуль объекта 5, опускают объект 9 в сторону ножа 3 и производят срез объекта 9, формируя поверхность 10. После этого объект 9 поднимают в верхнее положение. Используя модуль подвижки 12, осуществляют перемещение зонда по координате X и сближение зонда 13 с поверхностью 10 объекта 9. Далее, используя пьезосканер 6, производят сканирование поверхности 10 относительно зонда 13 и измерение топографии поверхности 10 с составлением карты поверхности объекта.

Предложенный способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа реализуется посредством того, что подготовку поверхности 10 объекта 9 дополняют периодическим перемещением поверхности 10 объекта 9 относительно ножа 3. Это перемещение может осуществляться пьезосканером 6.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по второй координате Y. Диапазоны перемещения стандартных пьезосканеров, используемых в сканирующей зондовой микроскопии, по координатам сканирования составляют величины порядка 100 мкм. В данном случае это координаты Y, Z. При периодическом перемещении поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y в момент среза объекта 9 происходят дополнительные разрывы тела объекта 9 по направлению, перпендикулярному основному перемещению режущей кромки 4 ножа 3 по координате Z. Таким образом, основное относительное перемещение реза режущей кромки 4 по координате Z дополняется относительным перемещением режущей кромки 4 в «режиме пилы».

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и постоянной частотой. Это целесообразно в том случае, если известно, что объекты однородны. Для пластичных объектов и материалов, таких как полистирол, целесообразно устанавливать максимальные амплитуды в диапазоне 250-500 нм и минимальные частоты 1-10 кГц периодического перемещения поверхности 10 объекта 9. Для твердых объектов и материалов, таких как гидроксиапатит, целесообразно устанавливать минимальные амплитуды в диапазоне 100-200 нм и максимальные частоты 10-50 кГц периодического перемещения поверхности 10 объекта 9.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и переменной частотой. Это целесообразно в том случае, если известно, что твердые объекты неоднородны по твердости. Например, образцы частиц гидроксиапатита, фиксированных в биополимерных матрицах [6], имеют повышенную твердость внутренних зон. В этом случае следует повышать частоту периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 в области реза зон, содержащих твердые частицы, до 20-30 кГц. Амплитуду целесообразно устанавливать в диапазоне 100-200 нм.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и постоянной частотой. Это целесообразно в том случае, если известно, что упругие объекты неоднородны по упругости. Например, образцы биологических тканей, залитые в эпоксидную смолу [7, 8], имеют повышенную упругость наружной поверхности (эпоксидная смола) и вязкую середину (биоткань). В этом случае следует повышать в диапазоне 250-500 нм амплитуду периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 в области реза наружной его поверхности. Частоту целесообразно устанавливать в диапазоне 10-20 кГц.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и переменной частотой. Это целесообразно в том случае, если известно, что объекты неоднородны по твердости, упругости и вязкости. Например, образцы биополимерных матриксов с биологическими клетками, зафиксированные в металлических (например, золотых или медных [9]) капиллярах, имеют повышенную твердость наружной поверхности и вязкую или упругую середину. В этом случае следует понижать в диапазоне 50-100 нм амплитуду периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 в области реза наружной его поверхности. Частоту целесообразно повышать в диапазоне 15-30 кГц в области реза наружной его поверхности. При осуществлении реза срединной части таких объектов в этой области следует повышать амплитуду периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 в диапазоне 250-500 нм. Частоту целесообразно понижать в диапазоне 5-10 кГц.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по третьей координате Z. Это целесообразно, в первую очередь, для твердых объектов. Амплитуда периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 может быть в диапазоне 10-100 нм, а частоты в диапазоне 50-100 кГц. Для упругих объектов также возможен этот режим. В этом случае амплитуда периодического перемещения поверхности 10 объекта 9 может быть в диапазоне 100-500 нм, а частоты в диапазоне 10-20 кГц.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по второй координате Y и по третьей координате Z.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по первой координате X. В этом случае в процессе реза объекта 9 периодическое перемещение поверхности 10 осуществляется в импульсном режиме на величину 10-500 нм в сторону зонда 13, формируя периодические структуры выступами или углублениями на поверхности 10.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют после составления карты физических свойств поверхности 10 объекта 9 и в соответствии с неоднородностью физических свойств поверхности 10 объекта 9. В одном из вариантов измерения зондом 13 поверхности объекта 9 могут осуществляться в режиме измерения локальной упругости. [10] Таким образом, при очередном срезе объекта 9 можно корректировать амплитуду и частоту периодического перемещения в соответствии с картой физических свойств в виде измеренной локальной упругости поверхности 10.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют после составления карты морфологии поверхности 10 объекта 9 и в соответствии с неоднородностью морфологии поверхности 10 объекта 9. Это целесообразно, например, для микро- и нанопористых объектов с размерами пор в диапазоне от 10 до 500 нм и неоднородной степенью пористости. После составления карты морфологии поверхности объекта путем измерения в режиме сканирующего зондового микроскопа на карте могут быть выделены области пор большего и меньшего диаметра. При очередном срезе объекта 9 можно корректировать амплитуду и частоту периодического перемещения в соответствии с измеренным локальным размером пор. В данном случае целесообразно устанавливать амплитуду периодического перемещения объекта 9 по второй координате Y на уровне среднего размера пор в срезаемой области, а частоту периодического перемещения устанавливать как отношение скорости относительного перемещения объекта 9 и ножа 3 при срезе к среднему размеру пор в срезаемой области.

В одном из вариантов периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 дополняют управляемым перемещением поверхности 10 объекта 9 по первой координате X в соответствии с морфологией поверхности 10 объекта 9. Иногда из-за недостаточной жесткости крепления объекта 9 и самого объекта 9 на его поверхности формируется волнообразный профиль, параллельный режущей кромке 4. [11] В этом случае после среза измеряют зондом 13 этот профиль и на следующем срезе поверхность 10 объекта 9 смещают по первой координате X противофазно этому профилю.

То, что подготовку поверхности 10 объекта 9 дополняют периодическим перемещением поверхности 10 объекта 9 относительно ножа 3, уменьшает усилие реза, улучшает качество срезанной поверхности 10 объекта 9 и соответственно повышает качество зондовых измерений за счет уменьшения влияния неровностей срезанной поверхности 10 объекта 9 на процесс измерений. При этом появляется также возможность формирования более тонких срезов за счет минимизации неровностей среза.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по второй координате Y, одновременно с улучшением качества срезанной поверхности 10 объекта 9 позволяет дольше сохранять режущую кромку 4, в первую очередь, при резке твердых объектов за счет ее периодических перемещений по направлению, перпендикулярному направлению реза.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и постоянной частотой, положительно влияет на качество срезанной поверхности 10 объекта 9, имеющего одинаковые характеристики твердости и упругости по всему объему объекта 9.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и переменной частотой, положительно влияет на качество срезанной поверхности твердых объектов, имеющих различные характеристики твердости по всему объему. В зоне повышенной твердости объекта 9 целесообразно повышать частоту периодического перемещения поверхности 10 объекта 9, что также дольше сохраняет режущую кромку 4.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и постоянной частотой, положительно влияет на качество срезанной поверхности пластичных объектов, имеющих различные характеристики упругости и вязкости по всему объему. В зонах повышенной вязкости объектов целесообразно повышать амплитуду периодического перемещения поверхности 10 объекта 9, добиваясь разрыва упругих тканей.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и переменной частотой, положительно влияет на качество срезанной поверхности объектов, имеющих различные характеристики твердости, упругости и вязкости по всему объему.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по третьей координате Z, положительно влияет на качество срезанной поверхности хрупких объектов и позволяет дольше сохранять режущую кромку 4 за счет ее периодических перемещений по направлению реза, которые уменьшают усилие реза.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по второй координате Y и по третьей координате Z, положительно влияет на качество срезанной поверхности объектов и позволяет дольше сохранять режущую кромку 4 за счет ее периодических перемещений по направлению реза и перпендикулярно ему.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют по первой координате X, позволяет создавать на поверхности 10 объекта 9 координатную сетку выступами или углублениями на поверхности 10, которая может упрощать запоминание и поиск локальных фрагментов на поверхности 10 объекта 9.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют после составления карты физических свойств поверхности 10 объекта 9 и в соответствии с неоднородностью физических свойств поверхности 10 объекта 9, положительно влияет на качество срезанной поверхности объектов и позволяет дольше сохранять режущую кромку 4 за счет учета неоднородности физических свойств объектов и в первую очередь их твердости.

То, что периодическое перемещение поверхности 10 объекта 9 осуществляют после составления карты морфологии поверхности 10 объекта 9 и в соответствии с неоднородностью морфологии поверхности 10 объекта 9 и дополняют управляемым перемещением поверхности 10 объекта 9 по первой координате X, позволяет компенсировать, например, волнообразную неровность волнообразным противофазным перемещением поверхности 10 объекта 9 по первой координате X.

Литература

1. Патент RU 2389032. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством модификации поверхности объекта 10.05.2010.

2. Патент RU 2545471. Способ исследования трехмерных структур. 27.03.2015.

3. Патент US 5299481. Carrier arm seal for a microtome of ultramicrotome. 05.04.1994.

4. Патент US 2009183613. Micromanipulator for a cryomicrotome. 23.07.2009.

5. A.E. Efimov, H. Gnaegi, R. Schaller, W. Grogger, F. Hofer and N.B. Matsko, Analysis of native structure of soft materials by cryo scanning probe tomography, Soft Matter, 2012, 8, p.9756-9760.

6. M.M. Moisenovich, A. Yu. Arkhipova, A.A. Orlova, M.S Drutskaya, S.V. Volkova, S.E. Zacharov, I.I. Agapov, M.R Kirpichnikov, Composite Scaffolds Containing Silk Fibroin, Gelatin, and Hydroxyapatite for Bone Tissue Regeneration and 3D Cell Culturing, Acta Naturae. 2014; 6(1), p. 96-101.

7. K. Nagashima, J. Zheng, D. Parmiter, A. K. Patri, Biological Tissue and Cell Culture Specimen Preparation for ТЕМ Nanoparticle Characterization, Characterization of Nanoparticles Intended for Drug Delivery Methods in Molecular Biology Vol. 697, 2011, p. 83-91.

8. N. Matsko, M. Mueller, AFM of biological material embedded in epoxy resin. Journal of Structural Biology, 2004, 146, p. 334-343.

9. S. Yakovlev, К.H. Downing, Freezing in Sealed Capillaries for Preparation of Frozen Hydrated Sections, J Microsc, 2011, 244 (3), p. 235-247.

10. S Banerjee, N Gayathri, S R Shannigrahi, S Dash, А К Tyagi, Baldev Raj, Imaging distribution of local stiffness over surfaces using atomic force acoustic microscopy, J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, 40, p. 2539.

11. H. Sitte, Ultramikrotomie - Haufige Fehler und Probleme., "Supplement Mikroskopie/Elektronenmikroskopie Janner 1982", GIT-Verlag Ernst Giebeler, Darmstadt, p. 9-32.

1. Способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа, включающий подготовку поверхности (10) объекта (9) путем ее среза за счет относительного перемещения по третьей координате Z объекта (9) и ножа (3) с кромкой (4), расположенной вдоль второй координаты Y, сближение зонда (13) с поверхностью (10) объекта (9) по первой координате X, относительное сканирование зонда (13) и поверхности (10) объекта (9) в плоскости второй координаты Y и третьей координаты Z и проведение измерения поверхности (10) объекта (9) в режиме сканирующего зондового микроскопа с составлением карты поверхности (10) объекта (9), отличающийся тем, что подготовку поверхности (10) объекта (9) дополняют периодическим перемещением поверхности (10) объекта (9) относительно ножа (3).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют по второй координате Y.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и постоянной частотой.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) по второй координате Y осуществляют с постоянной амплитудой и переменной частотой.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и постоянной частотой.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) по второй координате Y осуществляют с переменной амплитудой и переменной частотой.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют по третьей координате Z.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют по второй координате Y и по третьей координате Z.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют по первой координате X.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют после составления карты физических свойств поверхности (10) объекта (9) и в соответствии с неоднородностью физических свойств поверхности (10) объекта (9).

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) осуществляют после составления карты морфологии поверхности (10) объекта (9) и в соответствии с неоднородностью морфологии поверхности (10) объекта (9).

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что периодическое перемещение поверхности (10) объекта (9) дополняют управляемым перемещением поверхности (10) объекта (9) по первой координате X в соответствии с морфологией поверхности (10) объекта (9).