扫描离子电导显微镜高分辨率成像方法研究

摘要

单细胞分析主要包括观测和操控两个方面。对单细胞的观测需要借助具有微纳米级分辨率的显微技术，现有的显微技术主要有光学显微镜、扫描电子显微镜和扫描探针显微镜。扫描离子电导显微镜(SICM)是扫描探针显微镜的一种，因具有纳米级的分辨率和非力接触的特点，能够在生理条件下实现对活体细胞的高分辨率无损成像，使其成为在细胞生物学、病理药物学等研究领域的有力工具。 扫描速度与抗干扰能力一直是SICM面临的一对难题，传统的扫描模式难以同时满足两方面的需求。直流模式扫描速度快但易受直流漂移影响，距离调制模式和跳跃模式抗干扰能力强但扫描速度慢。最新提出的同相电压调制模式使用交流电压作为激励，在保证系统抗干扰能力的前提下提高了扫描速度，是目前较先进的成像模式，但其和直流模式相比在扫描速度和成像分辨率方面仍然存在差距。本文针对提高SICM扫描速度和成像质量的需求，开展了对新型成像方法的研究，主要进行了如下工作: 首先，在同相电压调制模式的基础上提出了一种新的SICM微弱信号优化方法——反相电压调制信号优化方法，该方法保持了对直流漂移和电气噪声的抑制能力，同时进一步提升了反馈电流的信噪比。使系统获得了垂直分辨率和扫描速度的提高，工作点距离的优化，进一步提升了SICM的成像质量。 其次，通过大量的实验发现了SICM成像时下降沿模糊的“拖尾”现象，对现象产生的机理进行了分析，提出了一种基于先验知识自适应的SICM距离控制方法。该方法有效解决了样品高度下降沿的成像问题，使成像更加准确。 最后，提出了一种SICM成像的正交电压调制模式，该模式以交流电压为激励，以与激励电压同频正交的电流作为反馈。通过改进完整电路模型阐述了正交电压调制模式的成像机理，实验验证了该模式的有效性及其在提高横向分辨率和调制频率方面的优势。 本文通过原理分析、理论建模、实验验证等方法对SICM的成像模式进行了研究，提高了其在高抗干扰能力下的扫描速度和成像质量，使SICM给纳米观测及单细胞分析提供了更好的技术支持，将有效推动相关领域的发展。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景

1．1．1纳米科技起源

1．1．2纳米科技研究领域

1．2单细胞观测技术

1．2．1光学显微镜

1．2．2电子显微镜

1．2．3扫描探针显微镜

1．3扫描离子电导显微镜的提出及发展

1．4本文的研究目的及意义

1．5本文结构安排

第2章SICM原理及研究基础

2．1 SICM原理

2．1．1 SICM成像原理

2．1．2 SICM电路模型

2．2自制SICM系统结构

2．3 SICM成像模式

2．3．1直流模式

2．3．2距离调制模式

2．3．3跳跃模式

2．3．4同相电压调制模式

2．4电容补偿方法用于同相电压调制模式

2．5本章小结

第3章反相电压调制信号优化方法

3．1引言

3．2反相电压调制方法

3．2．1反相电压调制方法原理及实现

3．3．2信噪比提升验证

3．3反相电压调制方法优点验证

3．3．1分辨率提升

3．3．2扫描速度提升

3．3．3工作点位置优化

3．3．4调制频率优化

3．4本章小结

第4章SICM的自适应距离控制方法

4．1引言

4．2．2“拖尾现象”原理分析

4．2．3扫描速度对“拖尾”现象的影响

4．3基于先验知识的自适应控制方法

4．3．1下降沿补偿函数模型的建立

4．3．2基于先验知识的自适应PID控制方法

4．3．3电流及距离震荡保护

4．3．4控制算法实现流程

4．4实验验证

4．4．1控制算法动态特性分析

4．4．2行扫描频率0．5Hz条件下扫描成像结果对比

4．4．3行扫描频率2Hz条件下扫描成像结果对比

4．5本章小结

第5章正交电压调制模式研究

5．1引吾

5．2完整电路模型改进

5．3正交电压调制模式实现方法及成像

5．3．1新模式实现方法

5．3．2成像验证

5．4正交电压调制模式优点分析

5．4．1提高SICM横向分辨率

5．4．2增加调制频率

5．5本章小结

结论

参考文献

致谢