СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
SCANNING PROBE MICROSCOPE FOR BIOLOGICAL APPLICATIONS

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.
Известен СЗМ, совмещенный с инвертированным оптическим микроскопом (ИОМ) [1]. В конструкции этого СЗМ используется вертикально расположенный трубчатый сканер, в результате чего непосредственное освещение исследуемого образца сверху становится невозможным. Для освещения образца сверху вместо штатного конденсора ИОМ приходится использовать боковой ввод света с использованием системы зеркал, при этом увеличивается расстояния от осветителя (конденсора) до образца. В результате система освещения образца сверху становится низкоапертурной. Это приводит к ухудшению разрешения ИОМ и ухудшению его функциональности. Соответственно, с одной стороны, ухудшаются функциональные характеристики СЗМ, поскольку затрудняется выбор объекта сканирования на оптическом изображении, например, из-за невозможности использования метода фазового контраста. С другой стороны, ухудшается общая применимость СЗМ, т.к. для пользователя очень часто важно получение не только СЗМ, но и оптического изображения тоже, поскольку и то и другое изображения являются взаимно дополняющими.
Известен также СЗМ, совмещенный с ИОМ [2-3], который включают в себя Z-сканер с установленными на нем держателем зонда, лазером, фотоприемником, оптическими системами регистрации и юстировки. В состав СЗМ входит также и вертикально расположенный оптический микроскоп с системой освещения через объектив.
Недостатком такого СЗМ, совмещенного с ИОМ, также является использование в оптической системе ИОМ нештатной низкоапертурной системы освещения сверху исследуемого образца. Это приводит к ухудшению разрешения ИОМ и ухудшению его функциональности. Как и в рассмотренном выше примере, ухудшается также и функциональность СЗМ. Кроме того, недостатком такого СЗМ является раздельность систем сканирования - сканирование по координате Z осуществляется сканером, а по координатам XY - образцом. Для биологических применений весьма существенным является размещение образцов в жидкостных ячейках с системами терморегуляции, перфузии жидкости и смены газовой атмосферы. При этом жидкостные ячейки становятся достаточно тяжелыми, что ограничивает скорости XY сканирования, поскольку из-за повышенной весовой нагрузки резонансная частота сканера уменьшается.
Известен также СЗМ, совмещенный с ИОМ [4], содержащий основание с установленным на нем XYZ сканером, при этом основание и сканер имеют центральное отверстие для доступа к образцу освещения от конденсора. На XYZ сканере, в свою очередь, установлены лазер, держатель зонда, фотодиод, оптические элементы системы регистрации изгибов кантилевера и юстировочные устройства.
Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения. Ему присущ существенный недостаток - оптические системы юстировки расположены на сканере, что понижает его резонансные частоты и, соответственно, ограничивает скорости сканирования.
Особенно это сказывается при необходимости использовании автоматизированных систем юстировки. Навешивание на сканер нескольких двигателей существенно увеличивает весовую нагрузку и, соответственно, уменьшает скорости сканирования. Юстировка требуется, например, при первичной установке зонда, при смене зондового датчика или рабочего кантилевера, или в процессе измерений, в частности при изменениях температуры, когда происходит температурный изгиб кантилевера и нужно проводить юстировку системы регистрации. Необходимость автоматизации связана с необходимостью упрощения системы управления СЗМ, в частности, для операторов с недостаточным опытом или недостатком технического образования.
Технический результат данного изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и увеличении скорости сканирования.
Указанный результат достигается за счет того, что в сканирующем зондовом микроскопе для биологических применений, содержащем предметный стол инвертированного оптического микроскопа и измерительную головку, включающую основание с опорами для установки на предметный стол, блок XYZ сканирования с установленными на нем зондовым датчиком, лазером и фотоприемником, оптические компоненты для направления лазерного луча на зондовый датчик и от зондового датчика на фотоприемник, а также юстировочные элементы, упомянутые юстировочные элементы установлены на основании с возможностью осуществления параллельного сноса лазерного луча.
Вариант - блок XYZ сканирования выполнен в виде Z привода, установленного на XY приводе, зондовый датчик закреплен на Z приводе, а лазер и фотоприемник установлены на XY приводе, при этом оптические компоненты, связывающие лазер с зондовым датчиком и зондовый датчик с фотоприемником, установлены таким образом, что лазерные лучи, связывающие оптические компоненты, закрепленные на Z приводе, и оптические компоненты, закрепленные на XY приводе, распространяются вертикально.
Вариант - юстировочные элементы снабжены моторизованными приводами.
Вариант - по крайней мере один из юстировочных элементов выполнен в виде прозрачной плоскопараллельной пластинки, установленной с возможностью изменения угла наклона к проходящему лазерному лучу.
Вариант - по крайней мере один из юстировочных элементов выполнен в виде двух параллельных зеркал (перископной системы) с изменяемым расстоянием между ними.
Вариант - блок XYZ сканирования выполнен в виде Z привода, установленного на XY приводе, зондовый датчик закреплен на Z приводе, фотоприемник установлен на XY приводе, при этом оптические компоненты, связывающие зондовый датчик с фотоприемником, установлены таким образом, что лазерный луч, связывающий зондовый датчик и оптические компоненты, установленные на XY приводе, распространяется вертикально, а лазер установлен на компенсирующем приводе, установленном на XY приводе.
Вариант - блок XYZ сканирования выполнен в виде Z привода, установленного на XY приводе, зондовый датчик закреплен на Z приводе, лазер установлен на XY приводе, при этом оптические компоненты, связывающие зондовый датчик с лазером, установлены таким образом, что лазерный луч, связывающий зондовый датчик и оптические компоненты, установленные на XY приводе, распространяется вертикально, а фотоприемник установлен на компенсирующем приводе, установленном на XY приводе.
На фиг.1 изображен сканирующий зондовый микроскоп для биологических применений.
На фиг.2 схематически изображен вариант сканирующего зондового микроскопа для биологических применений, в котором XYZ сканер выполнен составным.
На фиг.3 схематически изображен вариант выполнения юстировочного элемента в виде плоскопараллельной пластинки.
На фиг.4 схематически изображен вариант выполнения юстировочного элемента в виде перископной системы, состоящей из двух зеркал.
На фиг.5 схематически изображен вариант сканирующего зондового микроскопа для биологических применений, в котором XYZ сканер выполнен составным, а лазер установлен на дополнительном компенсирующем приводе.
На фиг.6 схематически изображен вариант сканирующего зондового микроскопа для биологических применений, в котором XYZ сканер выполнен составным, а фотоприемник установлен на дополнительном компенсирующем приводе.
Сканирующий зондовый микроскоп для биологических применений (фиг.1) содержит основание 1, моторизованные стойки 2 [5] для установки основания 1 на предметный стол 3 с образцом 4, закрепленным с помощью пружинных лапок (не показано) и расположенным над объективом ИОМ 5. На основании 1 установлен сканер 6, на котором закреплены лазер 7, держатель 8 с установленным на нем зондовым датчиком 9, и позиционно-чувствительный фотоприемник 10. Лазер 7 оптически сопряжен с зондовым датчиком 9 посредством закрепленных на сканере зеркал 11, 12, 13. Зондовый датчик 9 оптически сопряжен с фотоприемником 10 посредством светоделителя 14, выполненного в виде куб-призмы и закрепленного на сканере 6. Зеркала 11, 12, 13 и светоделитель 14 могут быть объединены в первом оптическом блоке 15, установленном на сканере 6. Крепление этих элементов в блоке 15 условно не показано. Закрепление элементов на фиг.1 относительно друг друга с целью упрощения чертежей не показано. Металлические элементы закрепляют винтами, а оптические и металлические - клеевым соединением. На фиг.1 показаны также юстировочные элементы 16, 17 и 18, 19 с приводами 20, 21 и 22, 23, установленными на основании 1.
Управление стойками 2, сканером 6 и приводами 20-23 осуществляется с помощью блока управления 24.
В качестве ИОМ могут быть использованы инвертированные микроскопы Nikon, ZEISS, Olympus и др. [6] Для осуществления процедуры подвода зонда к образцу моторизованные стойки 2 выполнены микровинтовыми [7] и снабжены приводами на основе шаговых двигателей, например, фирмы FAULHABER [8]. Аналогичные приводы используются и в качестве приводов 20-23 юстировочных элементов 16-19. Зондовые датчики 9 являются стандартными СЗМ датчиками, выполненными на основе кремния или нитрида кремния [9, 10]. Крепятся они к держателю 8 с помощью пружинных зажимов (подробней см. в [11]). В качестве XYZ сканеров может быть использован, например, XYZ сканер с центральным отверстием фирмы PI [12].
В другом варианте (фиг.2) XYZ сканер выполнен составным - Z привод 25 установлен на XY приводе 26, при этом держатель 8 крепится на приводе 25 (изображено условно), к нему же крепятся зеркала 11 и 12 (для упрощения рисунка крепления зеркал 11, 12 показаны условно в виде второго оптического блока 27), а светоделитель 14 и зеркало 13 закреплены на XY приводе 26 (для упрощения рисунка крепления зеркала 13 и светоделителя 14 показаны условно в виде третьего оптического блока 28). Особенность этого варианта выполнения заключается также в том, что лучи от зеркала 13 на зеркало 12 и от зондового датчика 9 на светоделитель 14 распространяются вертикально, так что в процессе сканирования, когда расстояния между зондовым датчиком 9 и светоделителем 14, а также между зеркалами 13 и 12 изменяются, общая юстировка системы лазер 7, зондовый датчик 9 и фотоприемник 10 не нарушается. Составной сканер может быть выполнен, например, на основе XY сканера с центральным отверстием, например, фирмы PI [13], на котором устанавливается сканер с платформой для Z-перемещений, например сканер Р-753 фирмы PI [14].
Возможен вариант выполнения юстировочных элементов, в котором юстировочные элементы 16 и 18 выполнены в виде прозрачных плоскопараллельных пластинок (фиг.3), а юстировочные элементы 17 и 19 - в виде перископных систем (фиг.4). На фиг.3 показана плоскопараллельная пластинка 16, закрепленная в держателе 29, установленном на приводе 20, выполненном в виде шагового двигателя с редуктором 30 [8], с помощью которого изменяется угол наклона плоскопараллельной пластинки 16 по отношению к лазерному лучу. На фиг.4 показан юстировочный элемент 17 в виде перископной системы, состоящей из неподвижного 31 и подвижного 32 зеркал. Неподвижное зеркало 31 установлено на кронштейне 33, закрепленном на шаговом двигателе с редуктором 34. Подвижное зеркало 32 закреплено на держателе 35, установленном на микровинтовом преобразователе 36, который преобразует в линейное перемещение вращение вала шагового двигателя с редуктором 34 (см. подробнее в [7, 8]).
Существует также вариант (фиг.5), в котором XYZ сканер выполнен составным - Z привод 25 установлен на XY приводе 26, при этом держатель 8 крепится на приводе 25, лазер 7 закреплен на компенсирующем приводе 37, а светоделитель 14 и зеркало 13 закреплены на XY приводе 26 (для упрощения рисунка крепления зеркала 13 и светоделителя 14 показаны условно в виде третьего оптического блока 28). Особенность этого варианта выполнения заключается также в том, что лучи от зондового датчика 9 на светоделитель 14 распространяются вертикально, а от зеркала 38 на зондовый датчик 9 наклонно, так что в процессе сканирования, когда расстояния между зондовым датчиком 9 и светоделителем 14 изменяются, для сохранения юстировки системы лазер 7, зондовый датчик 9 и фотоприемник 10 одновременно с вертикальными перемещениями зондового датчика 9 с помощью привода 26 для устранений перемещений лазерного пятна по зондовому датчику 9 производят синхронные перемещения лазера 7 с помощью компенсирующего привода 37. Составной сканер может быть выполнен, например, на основе XY сканера с центральным отверстием, например, фирмы PI [13], на котором устанавливается сканер с платформой для Z-перемещений, например сканер Р-753 фирмы PI [14], компенсирующий привод 37 может быть выполнен, например, на основе пьезопривода PL055.30 фирмы PI [15].
В другом варианте с составным XYZ сканером (фиг.6) на компенсирующем приводе 39 закреплен фотоприемник 10. В вариантах с компенсирующими приводами (фиг.5 и фиг.6) уменьшена весовая нагрузка на Z-привод 25 за счет исключения из оптической системы зеркал 11 и 12, что дает возможность повысить быстродействие Z-привода 25 и, соответственно, улучшить функциональные характеристики СЗМ. При этом вариант с наклонным падением лазерного луча на зондовый датчик 9, изображенный на фиг.5, предпочтительнее, когда необходимо минимизировать засветку объекта измерения 4 лазерным излучением, а вариант с вертикальным падением лазерного луча на зондовый датчик 9 позволяет минимизировать длину оптического пути от лазера 7 до образца 4.
В варианте по фиг.1 устройство работает следующим образом. При необходимости произвести юстировку, например, вследствие замены зондового датчика 9, путем перемещения подвижного зеркала 30 (см. фиг.4) с помощью линейного привода 22 осуществляется наведение луча от лазера 7 на кантилевер зондового датчика 9. Далее, с помощью юстировочного элемента 18 (плоскопараллельной пластинки, вращаемой в вертикальной плоскости с помощью привода вращения 22), осуществляется наведение лазерного луча на кончик кантилевера зондового датчика 9. Аналогично, с помощью юстировочных элементов 17 и 16 отраженный от кантилевера зондового датчика 9 и проходящий через светоделитель 14 луч выводится в центр позиционно-чувствительного фотоприемника 10. Управление приводами юстировочных элементов осуществляется с помощью блока управления 24, с помощью которого по сигналу от позиционно-чувствительного фотоприемника 10 с использованием специальных алгоритмов осуществляется наведение лазерного луча на зондовый датчик и отраженного луча на фотоприемник. После этого осуществляется сканирование поверхности образца 4, при этом по командам от блока управления 24 осуществляется развертка по XY координатам и отслеживание поверхности образца 4 по Z координате [16].
Такое выполнение сканирующего зондового микроскопа позволяет проводить сканирование с повышенными скоростями, поскольку уменьшена весовая нагрузка на сканер за счет установки юстировочных элементов на неподвижном основании, при этом возможно использование системы прямого освещения образца с использованием высокоапертурного конденсора. Это позволяет получать оптическое изображение с высоким разрешением и проводить более качественный и осмысленный выбор области сканирования на образце, что повышает функциональные возможности прибора.
В варианте по фиг.2 процесс юстировки производится аналогично способу, рассмотренному выше. Отличие - в процессе сканирования, которое может производиться с большими скоростями, поскольку весовая нагрузка на Z-привод 25 сканера уменьшена - на нем установлены только держатель зонда 8 и оптический блок 27. Это позволяет еще больше повысить скорость сканирования, поскольку именно Z-привод 25 является наиболее скоростным и лимитирующим скорость сканирования.
В вариантах с компенсирующими приводами (фиг.5 и фиг.6) уменьшена весовая нагрузка на Z-привод 25 за счет исключения из оптической системы зеркал 11 и 12, что дает возможность повысить быстродействие Z-привода 25 и, соответственно, улучшить функциональные характеристики СЗМ. При этом вариант с наклонным падением лазерного луча на зондовый датчик 9, изображенный на фиг.5, предпочтительнее, когда необходимо минимизировать засветку объекта измерения 4 лазерным излучением, а вариант с вертикальным падением лазерного луча на зондовый датчик 9 позволяет минимизировать длину оптического пути от лазера 7 до образца 4 и, соответственно, улучшить условия фокусировки лазерного пятна на зондовом датчике 9.
ЛИТЕРАТУРА
1. RU 2180726, 2002.
2. US Patent N6,677,567, 13.01.2004.
3. http://parkafm.com/New_html/product/down_file.php?filename=XE-150.pdf
4. US Pat. Appl. N 20060168703, 27.07.2006.
5. http://www.ntmdt.ru/data/media/Files/products/solver/smena.pdf
6. http://www.ipk.com/nanowizard2.download.l7a34e7664e55b871ad8ae750 93743d0.pdf
7. RU 2255321,2005.
8. http://www.micromo.com/uploadpk/AM 1020-pdf
9. http://www.ntmdt-tips.com/catalog/golden/contact/products.html
10. http://probe. olympus-global. com/en/en/specwedgeE. html
:
11.http://www.jpk.com/nanowizard-ii-accessories.354.html?prodview=detail&id=361
12. http://www.physikinstrumente.com/en/pdf/P517_Datasheet.pdf
13. http://www.physikinstrumente.com/en/pdf/P541_2SL_Datasheet.pdf
14. http://www.physikinstrumente.com/en/pdf/P753_JDatasheet.pdf
15.http://www.physikinstrumente.com/en/pdf/PicmaChips_Datasheet.pdf
16. В.Л.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Москва: Техносфера, 2004.