ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ДИСКОМ-НОСТИТЕЛЕМ С КАНТИЛЕВЕРАМИ ЛЕПЕСТКОВОГО ТИПА
METERING DEVICE WITH DISC-CARRIER WITH CANTILEVERS OF PETAL TYPE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изменения частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера (консоли) традиционно измеряют сканированием электрического датчика или оптического датчика на кантилевере (консоли), расположенном с ним в одну линию (см. G. Grosch, «Hybrid fiber-optic/micromechanical frequency encoding displacement sensor». Sensors and Actuators A, April 1990, Vol.23, Issues 1-3, стр.1128-1131 [1]).
На фиг.1 представлено схематическое изображение такого измерительного устройства с последовательно линейно расположенными кантилеверами.
Несущая плата 101 (фиг.1) расположенна в одну линию с кантилеверной матрицей вдоль несущей платы 101. Оптическая измерительная головка 103 приводится в движение в линейном направлении (а) для измерения изменений частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилеверов. Модифицирующие головки 104 и 105 предназначены для закрепления модифицирующего материала на кантилеверной матрице 102.
Кроме того, проведены исследования по применению каждого кантилевера и/или каждого зонда в качестве материального датчика путем модификации конкретным материалом (смотри J.С.Mabry, T.Yau,Н.-W Yap, J.-B.D.Green, «Developments for inverted atomic force microscopy», Ultramicroscopy 91, (2002), стр.73-82 [2]; M.K.Bailer, H.P.Lang, J.Fritz, Ch.Gerber, J.K.Gimzewski, U.Drechsler, H.Rothuizen, M.Despont, P.Vettiger, F.M.Battiston, J.P.Ramseyer, P.Fornaro, E.Meyer and H.-J.Guentherodt: «A cantilever array-based artificial nose», Ultramicroscopy, 87 (1-4), (2000), стр.1-9 [3]).
При исследовании, описанном в документе [3], печатание модифицирующих материалов на кантилеверах производят позиционированием форсунки струйного принтера в пространственной системе xyz-координат.
Кроме того, опубликованы непатентные документы [4] и [5], которые относятся к способу модификации кантилеверов с помощью струйного принтера (A.Bietsch, J.Y.Zhang, M.Hegner, H.P.Lang, C.Gerber; «Rapid functionalization of cantilever array sensors by inkjet printing», Nanotechnology, 15 (8), Aug. 2004, стр.873-880 [4]; A.Bietsch, M.Hegner, H.P.Lang, C.Gerber; «InkJet deposition of alkanethiolate monolayers and DNA oligonucleotides on gold: Evaluation of spot uniformity by wet etching», Langmuir, 20 (12), Jun. 8, 2004, стр.5119-5122 [5].
Автором настоящего изобретения было предложено несколько видов кантилеверов и несколько видов способов измерения и измерительных устройств с использованием этих кантилеверов, которые упоминаются ниже.
В публикации японской патентной заявки №2003-114182 раскрыты кантилеверная матрица простой конструкции, допускающая точное определение поверхности образца, технология изготовления этой матрицы и микроскоп со сканирующей измерительной головкой с матрицей, устройство скольжения для направления перемещения и/или система вращения, датчик, гомодинный лазерный интерферометр, лазерный доплеровский интерферометр с функцией оптического возбуждения образца и способ возбуждения колебаний кантилевера.
В публикации WO 03/1022549 А1 раскрыты кантилевер в виде пространственной микроструктуры, содержащей силиконовые микропровода, технология изготовления упомянутого кантилевера и устройство с упомянутым кантилевером.
В публикации WO 2004/061427 А1 раскрыты способ и устройство для измерения возбуждения колебаний лазерным доплеровским интерферометром последовательным возбуждением колебаний с частотой собственных колебаний при модулированном оптическом возбуждении с помощью кантилеверных матриц, содержащих 2~n кантилеверов с разными частотами собственных колебаний.
Однако в способе измерений и измерительном устройстве, описанных в вышеупомянутом документе [1], кантилеверы расположены в одну линию, и оптическая измерительная головка приводится в движение в линейном направлении. Соответственно необходимо наличие оптических сканирующих устройств, например зеркального сканирующего устройства, сканирующего устройства с гальванометрическим зеркалом и многогранного зеркала, и устройства механической подачи с линейным перемещением.
Кроме того, в способе измерений и измерительном устройстве, описанных в документах [2] и [3], струйный принтер, используемый для струйной печати модифицирующим материалом на кантилеверах, должен содержать механизм пространственного позиционирования по 3-м координатам xyz, а также механизм для повышения скорости механизма пространственного позиционирования по 3-м координатам xyz.
Как указано выше, в традиционном способе измерений и измерительном устройстве имеется проблема, состоящая в том, что устройство механической подачи измерительной головки и модифицирующей головки оказывается сложным.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом вышеописанной ситуации согласно настоящему изобретению предлагается измерительное устройство с системой диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа.
Технической задачей настоящего изобретения является создание измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа, которое позволит упростить установку измерительной головки и модифицирующей головки путем вращения диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа, допускающим модификацию, адгезию образца и приложение усилия к пробе образца путем приложения центробежной силы, а также упростить измерение изменения частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилеверной матрицы.
Поставленная задача решена в соответствии с настоящим изобретением путем создания измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа, содержащим дисковидную несущую плату, кантилеверную матрицу с кантилеверами, продольные оси которых расположены приблизительно в радиальном направлении дисковидной несущей платы, средство вращения дисковидной несущей платы, на которой расположена кантилеверная матрица, устройство позиционирования кантилеверной матрицы, оптическую измерительную головку, размещенную в положении, соответствующем кантилеверной матрице, для измерения перемещения кантилевера и последовательного определения изменений частоты колебаний и/или амплитуды колебаний кантилеверов в зависимости от поворота дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что излишний материал, налипший на кантилевер, удаляется под действием центробежной силы, вызываемой вращением средства вращения.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется также тем, что содержит устройство для закрепления модифицирующего материала на кантилевере.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что последовательная модификация кантилевера в зависимости от поворота дисковидной несущей платы осуществляется позиционированием устройства для закрепления модифицирующего материала напротив вращающейся кантилеверной матрицы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство для закрепления модифицирующего материала представляет собой устройство капельного дозирования модифицирующего материала.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что модифицирующая головка устройства для закрепления модифицирующего материала представляет собой струйный принтер.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что модифицирующая головка устройства для закрепления модифицирующего материала представляет собой модифицированный кантилевер.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется также тем, что модифицирующая головка устройства для закрепления модифицирующего материала представляет собой устройство для осаждения газообразного материала в атмосфере со стимулированием электронным пучком.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что на кантилевер наносят покрытие в его продольном направлении капельным дозированием материала или напылением материала на дисковидную несущую плату и на кантилевер с использованием центробежной силы, вызываемой вращением дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство для закрепления модифицирующего материала снабжено дозатором модифицирующего материала, расположенным на дисковидной несущей плате, и направляющей канавкой, соединяющей дозатор модифицирующего материала с кантилевером.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что в устройстве расположено множество дозаторов модифицирующего материала, в каждый из множества дозаторов модифицирующего материала заправлен один и тот же или разный модифицирующий материал, и на каждом из множества кантилеверов выполнен набор из одного и того же или разного сочетания модификаций.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что модифицирующий материал переносится к концу кантилевера под действием центробежной силы, вызываемой вращением дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что модифицирующий материал подводится к конкретному кантилеверу под действием капиллярных сил или электросмачивания в направляющей канавке.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что содержит устройство подачи для подачи кантилеверной матрицы в направлениях вверх и вниз и столик, на котором размещен модифицирующий материал, подлежащий приведению в контакт с контактирующим наконечником кантилевера в зависимости от поворота дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что содержит устройство подачи для подачи кантилеверной матрицы в направлениях вверх и вниз при этом материал с поверхности образца отбирается контактирующим наконечником кантилевера, последовательно приходящим в контакт в заданной позиции установленного образца.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство подачи представляет собой устройство подачи, содержащее кулачок.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство подачи представляет собой устройство подачи с оптической головкой.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство подачи представляет собой устройство подачи, использующее нагревание электрическим током.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство подачи представляет собой устройство подачи, использующее электростатическую силу.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что количество материала, отбираемое с поверхности образца, составляет очень малое количество в пределах от одного атома или одной молекулы до нескольких пикограмм.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что очень малое количество материала (в том числе один атом), отбираемое контактирующим наконечником кантилевера, анализируется по массе способом времени пролета.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что очень малое количество материала (в том числе один атом), отбираемое контактирующим наконечником кантилевера, анализируется по массе способом времени пролета, остаток пробы с образца снимается с контактирующего наконечника подачей электрического поля к контактирующему наконечнику, проба с образца повторно отбирается очищенным контактирующим наконечником в зависимости от поворота кантилеверного диска-носителя лепесткового типа, и повторяются этапы отбора образца, измерения способом времени пролета и очистки.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что выполняется растровое сканирование твердого образца в плоскости, и последовательно развертывается позиция, с которой приходит в контакт контактирующий наконечник кантилевера, и последовательно отбираются пробы и атомы, расположенные в разных позициях на твердом образце.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что высокоразрешающее отображение в виде карты распределения состава химических элементов по поверхности образца осуществляется времяпролетным анализом времени пролета по массе и идентификацией химических элементов в образцах, отобранных в разных позициях твердого образца.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что содержит устройство для дозирования образца на кантилевер.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что устройство для дозирования образца содержит дозатор образца, расположенный на дисковидной несущей плате, и направляющую канавку, соединяющую дозатор образца с кантилевером.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что содержит множество дозаторов образца, в каждый из множества дозаторов образца заправлен один и тот же или разный образец, и обеспечено налипание набора из одного и того же или разного сочетания образцов к каждому из множества кантилеверов.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что образец подводится к конкретному кантилеверу под действием капиллярных сил или электросмачивания в направляющей канавке.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что содержит устройство подачи для подачи кантилеверной матрицы в направлениях вверх и вниз, и столик, на котором размещен образец, подлежащий приведению в контакт с контактирующим наконечником кантилевера в зависимости от поворота дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что образцы детектируются посредством селективного наложения модифицирующего материала, закрепляемого на кантилевере.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что кантилеверная матрица разделена на множество кантилеверных наборов с разными полосами собственных частот колебаний, и отличающийся образец детектируется в каждой полосе частот изменением модифицирующего материала, соответствующего полосе частот.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что кантилевер представляет собой V-образный кантилевер.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что кантилевер представляет собой петлевой кантилевер.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что модифицирующий материал в форме тонкой пленки распределен по петлевому кантилеверу.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа, характеризуется тем, что образец улавливается модифицирующим материалом в форме тонкой пленки.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что направляющая канавка для раствора модифицирующего материала и соединенный с ней кантилевер выполнены с возможностью формирования кривой в горизонтальном направлении с учетом инерции вращения дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что направляющая канавка для раствора образца и соединенный с ней кантилевер выполнены с возможностью формирования кривой в горизонтальном направлении с учетом инерции вращения дисковидной несущей платы.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что взаимодействие, связывание и способность к связыванию между модифицирующим материалом, закрепленным на кантилевере или зонде, и образцом, налипшим на кантилевер или зонд, определяются по изменению механических свойств кантилевера и изменению оптических свойств поверхности кантилевера.
Измерительное устройство с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа характеризуется тем, что процесс регулирования твердой поверхности в пределах от атомного уровня до порядка нескольких нанометров осуществляется с использованием измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему известного измерительного устройства с линейно расположенными кантилеверами;
Фиг.2 - схему измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа в соответствии с базовой конфигурацией настоящего изобретения;
Фиг.3 - схему устройства, в котором устройство капельного дозирования капель жидкости используется в качестве модифицирующей головки, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - схему устройства, в котором струйный принтер, наклонно расположенный под кантилевером, прикрепленным к диску-носителю, используется в качестве модифицирующей головки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 - схему устройства, в котором модифицированный кантилевер используется в качестве модифицирующей головки, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 - схему устройства, в котором устройство для осаждения газообразного материала в атмосфере со стимулированием электронным пучком используется в качестве модифицирующей головки, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7 - схему устройства, в котором устройство для закрепления модифицирующего материала представляет собой резервуар для жидкого модифицирующего материала (дозатор модифицирующего материала), сформированный на диске-носителе, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8 - схему расположения множества резервуаров для жидкостей, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.9 - схемы других методов переноса модифицирующих материалов в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10 - схему устройства для закрепления модифицирующего материала с использованием устройства подачи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11 - схему устройства, в котором образец непосредственно дозируется на кантилеверы после закрепления модифицирующего материала на кантилеверы или без использования модифицирующего материала, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.12 - схему расположения множества устройств для дозирования образца, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.13 - схемы устройства для дозирования образца с использованием устройства подачи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.14 - схему измерительного устройства, в котором V-образный кантилевер используется в качестве кантилевера, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.15 - схему измерительного устройства, в котором петлеобразная проволока сформирована на наконечнике кантилевера, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг.16 - схему устройства, представляющего пример искривленной конструкции кантилеверного диска-носителя лепесткового типа, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.17 - схему измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа, объединенным с (TOF) устройством времени пролета, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении кантилеверы расположены в форме диска-носителя лепесткового типа (приблизительно радиальной формы), при этом диск-носитель с кантилеверами лепесткового типа и кантилеверная матрица вращаются шпинделем. Измерение частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера, а также детектирование модифицирующего материала и образца может осуществляться вращением диска-носителя без крупноформатного сканирования измерительной головкой и модифицирующей головкой.
На фиг.2 представлена принципиальная схема измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа в соответствии с базовой конфигурацией настоящего изобретения.
Устройство содержит диск-носитель 1 (фиг.1) с кантилеверами лепесткового типа, причем кантилеверы 2 расположены так, что их продольная ось совпадает с радиальным направлением диска-носителя. Кантилеверная матрица 3 содержит множество кантилеверов 2. Диск-носитель 1 размещен на вращающейся оси 4. Вращательный привод 5 дисковидной несущей платы представляет собой шпиндель или что-то подобное. Блок 6 управления осуществляет функцию позиционирования вращательного привода 5. Устройство содержит также оптическую измерительную головку 7 и модифицирующие головки 8 и 9.
Множество кантилеверов 2 расположено так, что продольная ось кантилевера совпадает с радиальным направлением диска-носителя и прикреплено к диску-носителю 1, а вращение диска-носителя 1 обеспечивается вращательным приводом 5. Кроме того, позиционирование кантилевера 2, прикрепленного к диску-носителю 1, точно выполняется блоком 6 управления.
В результате, измерение частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера 2 может выполняться установкой кантилевера 2, оптической измерительной головки 7 и модифицирующих головок 8 и 9 в соответствующие позиции посредством поворота диска-носителя 1 без широкоформатного сканирования оптической измерительной головкой 7 и модифицирующими головками 8 и 9.
При этом, можно получить результирующие данные измерений частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера, то есть точные данные измерений частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера, так как излишний материал, налипший на кантилевер 2, удаляется разбросом при вращении диска-носителя 1.
Кроме того, модифицирующий материал, используемый для модификации кантилевера 2, может подаваться из модифицирующих головок 8 и 9 на кантилевер 2 с использованием центробежной силы при вращении диска-носителя 1. При этом, можно обеспечить налипание только заданного модифицирующего материала с большой силой сцепления на кантилевер 2 благодаря разбросу других материалов со слабыми силами сцепления с кантилевером 2 под действием центробежной силы при вращении диска-носителя 1.
В данном случае, например, модифицирующие головки 8 и 9 (фиг.3), которые являются устройствами для закрепления модифицирующего материала, представляют собой устройства капельного дозирования жидкости, и на кантилевер 2 непосредственно или не непосредственно наносится покрытие из модифицирующего материала 10 с помощью модифицирующих головок 8 и 9. Кроме того, возможен альтернативный вариант, в котором модифицирующий материал 10, дозируемый каплями на диск-носитель 1, подводится к кантилеверу 2 с использованием центробежной силы при размещении модифицирующей головки 8′ непосредственно над диском-носителем 1.
Кроме того, на кантилевер 2 можно также наносить покрытие из модифицирующего материала с использованием струйного принтера, наклонно расположенного под кантилевером 2, прикрепленным к диску-носителю 1.
На фиг.5 показано, что модифицирующая головка, которая является устройством для закрепления модифицирующих материалов, представляет собой модифицированный кантилевер. В данном случае, на кантилевер 2, прикрепленный к диску-носителю 1, наносится покрытие из модифицирующего материала 10 посредством модифицирующей головки 12, состоящей из модифицированного кантилевера.
На фиг.6 представлен пример модифицирующей головки, которая является устройством для закрепления модифицирующих материалов и представляет собой устройство для осаждения газообразного материала в атмосфере со стимулированием электронным пучком. В данном случае, материал 15 в газовой фазе, находящийся вблизи кантилевера 2, осаждается на кантилевер 2 в качестве модифицирующего материала 10 при облучении электронным пучком 14 из электроннолучевой пушки 13.
Ниже представлен пример, в котором кантилевер 2 покрывается в продольном направлении материалом, дозируемым каплями или напыляемым на диск-носитель 1 и основание кантилевера 2 под действием центробежной силы при вращении диска-носителя 1.
Устройство для закрепления модифицирующих материалов представляет собой резервуар 16 (фиг.7) для жидких модифицирующих материалов (блок дозирования модифицирующих материалов), сформированный на диске-носителе 1, при этом раствор модифицирующего материала 18 подводится к кантилеверу 2 благодаря направляющей канавке 17, которая соединяет резервуар 16 для жидких модифицирующих материалов с кантилевером 2, на диске-носителе 1. Другими словами, кантилевер 2 покрывается в продольном направлении раствором модифицирующего материала 18, находящегося в резервуаре 16 для жидких модифицирующих материалов и подаваемого по направляющей канавке 17 с использованием центробежной силы, вызываемой вращением диска-носителя 1. При этом, кантилевер 2 может получать покрытие только раствора модифицирующего материала 18 благодаря удалению излишнего материала, ранее налипшего на кантилевер 2, под действием центробежной силы при вращении диска-носителя 1.
Кроме того, каждый из кантилеверов 2 (фиг.8) можно покрывать разными растворами модифицирующих материалов 18A, 18B, 18C… через множество направляющих канавок 17A, 17B, 17C… при размещении множества резервуаров для жидких модифицирующих материалов 16A, 16B, 16С… и при заправке разных растворов модифицирующих материалов 18A, 18B, 18C… во множество резервуаров для жидких модифицирующих материалов.
Кроме того, раствор модифицирующего материала 18 (фиг.9) можно подводить к конкретному кантилеверу под действием капиллярных сил 19 (фиг.9a) и/или электросмачивания 20 (фиг.9b) по направляющей канавке 17.
На фиг.10 приведены примеры того, как модифицирующий материал закрепляется на кантилевере, с которым он контактирует селективно, благодаря расположению блока прикладывания модифицирующих материалов под кантилевером.
Столик 22, к которому присоединен модифицирующий материал 21, расположен под кантилеверной матрицей 3, а кулачок 23, который может подавать кантилеверную матрицу в направлениях вверх и вниз, расположен над кантилеверной матрицей 3. Кантилевер 2 подается в направлениях вверх и вниз с помощью кулачка 23 в зависимости от поворота диска-носителя 1, и, следовательно, кантилевер 2 приходит в контакт со столиком 22, к которому присоединен модифицирующий материал 21, и тогда модифицирующий материал 21 закрепляется на кантилевере 2. Кулачок 23 и столик 22 можно устанавливать отдельно от кантилевера 2 в момент измерения после закрепления модифицирующего материала 21 на кантилевере 2. Возможно также, чтобы каждый кантилевер 2 селективно приходил в контакт с модифицирующим материалом 21 при сдвигании столика 22 на соответствующий угол поворота.
Ниже приведено описание способа измерения, согласно которому обеспечивают прилипание образца (материалов, новых лекарств и клеток или чего-то подобного) к кантилеверу с помощью устройства дозирования образца после закрепления модифицирующего материала на кантилевере или обеспечивают прилипание образца непосредственно на кантилевер с помощью устройства дозирования образца без использования модифицирующего материала и затем выполняют измерение частоты собственных колебаний и амплитуды колебаний кантилевера с налипшими образцами посредством сканирования оптической измерительной головкой, а после этого осуществляют измерение образца путем определения разности между частотой собственных колебаний и амплитудой колебаний кантилевера без налипших образцов и частотой собственных колебаний и амплитудой колебаний кантилевера с налипшими образцами.
На фиг.11 представлена схема способа дозирования образца на кантилевер после закрепления модифицирующего материала на кантилевере или дозирования образца непосредственно на кантилевер без каких-либо модифицирующих материалов.
В данном случае резервуар 31 для жидкого раствора образца (часть для дозирования образца) расположен на диске-носителе 1 в качестве устройства для дозирования образца, причем раствор образца подводится к кантилеверу 2 по направляющей канавке 32, сформированной на диске-носителе 1 и соединяющей резервуар для жидкого раствора образца с кантилевером 2.
Кроме того, в данном случае раствор образца дозируется из резервуара 31 для жидкого раствора образца на кантилевер 2 по направляющей канавке с использованием центробежной силы при вращении диска-носителя 1. Разумеется примеси, ранее приставшие кантилеверу 2, могут быть сброшены центробежной силой. Как описано выше, желательно закрепить модифицирующий материал до налипания образца.
При этом, образец легко налипает на кантилевер 2.
Кроме того, как показано на фиг.12, каждый из кантилеверов 2 можно покрывать разными образцами через множество направляющих канавок 32A, 32B, 32C при размещении множества устройств для дозирования образцов и при заправке разных растворов образцов 36A, 36B, 36C во множество частей для дозирования образцов 35A, 35B, 35C.
Кроме того, аналогично закреплению модифицирующего материала (фиг.9) раствор образца можно подводить к конкретному кантилеверу по направляющей канавке под действием капиллярных сил и/или электросмачивания.
На фиг.13 приведен пример того, как в измерительном устройстве с кантилеверным диском-носителем лепесткового типа образец подается на кантилевер посредством селективного контакта кантилевера с образцом при размещении столика для образцов под кантилевером.
Как показано, столик 42 с образцом 41 расположен под кантилеверной матрицей 3 и кулачок 43, который может подавать кантилеверную матрицу в направлениях вверх и вниз, расположен над кантилеверной матрицей 3. Кантилевер 2 подается в направлениях вверх и вниз с помощью кулачка 43 в зависимости от поворота диска-носителя 1, и, следовательно, кантилевер 2 приходит в контакт со столиком 42, с образцом 41 и достигается прилипание образца 41 к кантилеверу 2. Кулачок 43 и столик 42 можно устанавливать отдельно от кантилевера 2 в момент измерения после налипания образца 41 на кантилевере 2. Возможно также, чтобы каждый кантилевер 2 селективно приходил в контакт с образцом 41 при сдвигании столика 42 на соответствующий угол поворота.
При этом, определение заданного образца на каждом кантилевере может осуществляться приложением образца к кантилеверу и селективным прилипанием образца к кантилеверу.
Возможно также разделение кантилеверной матрицы на множество кантилеверных наборов с разными полосами собственных частот колебаний и определение разных образцов на каждой частоте изменением модифицирующих материалов, соответствующих полосам частот.
На фиг.14 изображен пример, в котором кантилевер представляет собой V-образный кантилевер в измерительном устройстве с кантилеверным диском-носителем лепесткового типа в соответствии с настоящим изобретением.
При использовании данной конструкции модифицирующий материал 53 можно переносить на V-образный кантилевер 51 по его V-образной части 52. Модифицирующий материал 53 можно переносить к наконечнику кантилевера 51 вращением диска-носителя 1.
Кроме того, можно обеспечить прилипание образца 54 к модифицирующему материалу 53.
На фиг.15 представлена схема измерительного устройства с кантилевером, в котором на верхней части кантилевера сформирована петлеобразная проволока в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.15(a) представлен вид в плане кантилевера, и на фиг.15(b) представлен общий вид увеличенной части кантилевера.
Петлеобразная проволока 62, пересекающаяся на конце кантилевера 61, размещена на верхней части кантилевера 61, причем модифицирующий материал 63 может быть распределен в форме тонкой пленки с использованием петлеобразной проволоки 62. Конструкция кантилевера с петлеобразной проволокой описана в патентном документе [2].
Кроме того, образец может улавливаться вышеописанной тонкой пленкой, состоящей из модифицирующего материала 63, и измеряться.
На фиг.16 представлена схема измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Резервуар 71 для жидкого модифицирующего материала сформирован на диске-носителе 1, и направляющая канавка 72, искривленная в горизонтальном направлении диска-носителя 1, соединена с резервуаром 71 для жидкого модифицирующего материала, при этом кантилевер 73, искривленный в горизонтальном направлении диска-носителя 1, сформирован так, чтобы соединяться с направляющей канавкой 72. В данном случае причина, по которой искривлены направляющая канавка 72 и кантилевер 73, заключается в том, что, когда диск-носитель 1 вращается по часовой стрелке, модифицирующий материал 74 проводится в радиальном направлении от центра диска-носителя 1 центробежной силой при одновременном проведении в тангенциальном направлении инерцией вращения, действующей против часовой стрелки, в результате траектория движения переноса модифицирующего материала 74 приобретает криволинейную форму, и поэтому модифицирующий материал 74 точно проводится при использовании искривленной направляющей канавки 72 и искривленного кантилевера 73. Основание кантилевера 73 желательно продолжить в вертикальном направлении по отношению к диску-носителю 1.
На фиг.17 представлена принципиальная схема измерительного устройства с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа в сочетании с измерением времени пролета в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Столик 81 предназначен для установки твердого образца. Имеется также 3-координатное (xyz) устройство 82 сканирования столика 81, диск-носитель 83 с кантилеверами лепесткового типа, способный к вращению, кантилевер 84 с зондом, кулачок 85, представляющий собой устройство для подачи кантилевера 84 с зондом, группа 86 электродов для приложения электрического поля для очистки зонда и устройство 87 измерения времени пролета. Что касается устройства для подачи кантилевера 84 с зондом, вместо кулачка 85 можно использовать устройство подачи с оптическим нагревом, устройство подачи с нагревом электрическим током и устройство подачи с использованием электростатической силы, (не показаны). В случае устройства подачи с оптическим нагревом, кантилевер 84 с зондом подается при его облучении светом. В случае устройства подачи с нагревом электрическим током, кантилевер 84 с зондом подается при непосредственном пропускании в него электрического тока или при пропускании электрического тока вблизи кантилевера 84 с зондом для его косвенного нагрева. Кроме того, в случае устройства подачи, использующего электростатическую силу, кантилевер 84 с зондом подается при управлении электростатической силой между кантилевером 84 с зондом и пробой, находящейся на противоположной стороне от него.
При этом, кантилеверная матрица содержит устройство подачи, позволяющее подавать кантилеверную матрицу в направлениях вверх и вниз, материалы с поверхности образца могут отбираться путем последовательного контакта контактирующего наконечника кантилевера 84 с зондом в заданном положении установленного образца.
В данном случае количество материала, отбираемое с поверхности образца, составляет очень малое количество в пределах от одного атома или одной молекулы до нескольких пикограмм.
Кроме того, возможно проведение анализа по массе вышеупомянутого малого количества материала (включая случай с одним атомом), отобранного контактирующим наконечником, путем определения времени пролета, устройства 87 измерения времени пролета, расположенного вблизи кантилевера 84.
На фиг.17 после анализа по массе малого количества материала (включая случай с одним атомом), отобранного контактирующим наконечником для определения времени пролета, к зонду прилагается электрическое поле с использованием группы электродов для приложения электрического поля для очистки зонда 86, чтобы снять пробу образца, остающуюся на контактирующем наконечнике, и очищенный зонд снова отбирает пробу с образца, и тогда отбор, измерение времени пролета и очистка повторяются.
Ниже представлены известные примеры, сочетающие измерение времени пролета и зондовый микроскоп:(A) D.W.Lee, A.Wetzel, R.Benewitz, E.Meyer, M.Despont, P.Vettiger, C.Cerber “Switchable cantilever for a time of flight scanning force microscope”, Appl. Phys. Letters, 84(9), March 2004, pp.1558-1560; (B) O.Nishikawa et al. “Development of a scanning atom probe and atom-by-atom mass analysis of diamonds”, Appl. Phys., A66, pp. S11-S16, Part 1 Suppl. S., March (1998); (C) O.Nishikawa et al., “Atomic Investigation of individual apexes of diamond emitters by a scanning atom probe”, J. Vac. Sci. Technol., B16, pp.836-840 (1998); (D) японская патентная заявка № 1995-43373.
Ниже поясняются различия между вышеприведенными ссылками и настоящим изобретением.
3
В вышеприведенных ссылках необходимо затратить довольно много времени на выполнение очистки контактирующего наконечника при каждом измерении времени пролета, так как применяется только один зонд. Поэтому неопределенность идентификации химического элемента, например, в 512×512 точках неизбежна из-за изменений в точке наблюдения вследствие теплового дрейфа, и неопределенность отображения в виде карты распределения химического элемента также неизбежна из-за остатка образца от прежнего измерения. С учетом упомянутых проблем известного устройства кантилеверы с зондом располагают по окружности диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа в соответствии с настоящим изобретением. Когда образцы собирают с 512×512 мест отбора образцов, образцы можно взять в 512 точках, расположенных в одну линию, только одним поворотом диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа, и можно также затратить достаточно времени на идентификацию способом измерения времени пролета и очистку контактирующего наконечника. Поэтому можно выполнять высокоскоростное отображение в виде карты распределения химического элемента и химического состава без неопределенности, возникающей из-за остаточных химических элементов или тепловых дрейфов. Кроме того, традиционные способы с применением измерения в рентгеновском излучении при облучении электронным пучком допускали идентификацию только до объема не менее 1 мкм, тогда как измерение в соответствии с настоящим изобретением дает возможность идентификации, в принципе, одного атома и его позиции отбора образца.
В частности, в измерительном устройстве с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа согласно настоящему изобретению можно последовательно развертывать позицию, с которой контактирующий наконечник приходит в контакт, и последовательно отбирать пробы или атомы, расположенные в разных позициях твердого образца, посредством растрового сканирования (постепенной подачи) твердого образца в плоскости диска-носителя.
Кроме того, в измерительном устройстве с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа можно также выполнять высокоразрешающее отображение в виде карты распределения состава химических элементов в разных позициях твердого образца посредством времяпролетного анализа по массе и идентификацию химических элементов в пробах, отобранных в разных позициях образца.
В измерительном устройстве с диском-носителем с кантилеверами лепесткового типа можно также измерять взаимодействие, связывание и способность к связыванию между модифицирующими материалами, закрепленными на кантилевере или зонде, и образцами, прилипшими к кантилеверу или зонду, по изменению механических свойств кантилевера и/или изменению оптических свойств поверхности кантилевера.
В данном случае заправляемые образцы не ограничиваются двумя видами. Допускается заправка образцов множества видов, и возможно также детектирование данных образцов, взаимодействующих между собой.
В частности, такие термины, как образец и модифицирующий материал, которые последовательно представлены в настоящем изобретении, можно заменить терминами типа активные наноцентры или нанопробирки, содержащие кантилеверы и зонды, и взаимодействие, связывание и т.п. между активными наноцентрами можно детектировать как изменение характеристических свойств или оптических свойств кантилевера. Кроме того, можно давать определенную оценку способности к связыванию между образцом и модифицирующим материалом по центробежной силе, вызываемой вращением, создаваемым средством вращения дисковидной несущей платы с кантилеверной матрицей, с использованием способа удаления излишнего материала, прилипшего к кантилеверу, то есть функции расщепления преднамеренно слабых связей центробежной силой. Далее, можно смешивать более трех видов материалов на кантилевере и наблюдать состояние.
Известные технические устройства, описанные в вышеупомянутых патентных документах, предложенных автором настоящего изобретения, можно использовать в части, касающейся оптической измерительной головки и относящейся к ней измерительной системы.
Настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления и возможны различные видоизменения в соответствии с задачей настоящего изобретения, которые не должны выходить за пределы объема настоящего изобретения.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить следующий технический эффект.
(A) Модификации кантилеверов и измерения с их использованием осуществляются поворотом диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа без крупноформатного сканирования измерительной головкой и модифицирующей головкой, необходимого для перемещения с максимальной относительной скоростью.
(B) Пленкообразование и модификация поверхности возможны методом центрифугирования с использованием вращения диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа.
(C) Прочность связи между образцом (заданным материалом) и модифицирующим материалом может определяться регулированием центробежной силы, вызываемой вращением диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа.
(D) Образцы, которые не связываются с модифицирующими материалами, могут сбрасываться и удаляться с кантилевера с использованием центробежной силы, вызываемой вращением диска-носителя с кантилеверами лепесткового типа.
(E) Детектирование различных образцов, соответствующих каждой полосе частот, возможно путем измерения множества кантилеверов, установленных на различные полосы собственных частот.
(F) Как показано выше, можно легко обеспечить модификацию кантилевера, введение образцов, удаление материалов, которые не подлежат измерению, измерения по прочности связи и измерения характеристик кантилеверов.
(G) Можно выполнять модификацию поверхности и пленкообразование и, в результате, детектирование различных материалов.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Измерительное устройство в соответствии с настоящим изобретением можно применять: (1) для измерения взаимодействия патогенного микроорганизма с различными лекарствами и идентификации патогенного микроорганизма; (2) в устройстве, которое способно мгновенно распознавать программу применения для MRSA (золотистого стафилококка, устойчивого к метициллину); (3) в устройстве для создания микробиомембраны в петле петлевого кантилевера; (4) в материальных датчиках различного типа и (5) в устройстве для обработки с особо высокой точностью, которое можно использовать для очистки на атомном уровне.