無(wú)線控制原子力顯微鏡系統(tǒng)

張楠

摘 要：無(wú)線控制的原子力顯微鏡系統(tǒng)，一方面可以排除各種連線對(duì)操作原子力帶來(lái)的不方便；另一方面，可以很好的排除外界噪聲對(duì)操作結(jié)果帶來(lái)的不利影響；同時(shí)有利于非工作人員了解實(shí)驗(yàn)狀況。無(wú)線發(fā)射端通過(guò)電腦連接無(wú)線發(fā)射模塊收發(fā)射操作指令及數(shù)據(jù)，無(wú)線接收模塊接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)。同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡采集AFM微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探針與樣品之間的作用力，最終實(shí)現(xiàn)探針的逼近，及對(duì)操作樣品的觀察。該系統(tǒng)不僅操作靈活，而且工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡 步進(jìn)電機(jī) 無(wú)線模塊 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP273.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0008-02

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）是繼掃描隧道顯微鏡（STM）之后迅速發(fā)展起來(lái)的一種原子級(jí)分辨率掃描顯微鏡[1]。它通過(guò)監(jiān)測(cè)待測(cè)樣品表面與一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)。由AFM原理和原子力作用規(guī)律可知，只有當(dāng)AFM針尖與待測(cè)樣品表面的間距達(dá)到納米級(jí)時(shí)，樣品表面原子與微探針之間才能產(chǎn)生穩(wěn)定的原子力，使微懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)[2]。樣品向探針逼近直至進(jìn)入穩(wěn)定的原子力狀態(tài)稱為AFM的逼近狀態(tài)，此過(guò)程如果通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械裝置很難達(dá)到原子級(jí)定位精度。調(diào)節(jié)不夠，AFM針尖與樣品表面間距在一定的范圍之外，無(wú)法使懸臂梁正常工作，調(diào)節(jié)太深往往又會(huì)使探針與樣品接觸而直接導(dǎo)致樣品或探針損傷。而且工作在液相下的原子力顯微鏡在掃描細(xì)胞或其它生物結(jié)構(gòu)時(shí)要求操作環(huán)境最好不要受到外界干擾或污染[3]，這就要求人在操作原子力顯微鏡時(shí)最好遠(yuǎn)離操作地點(diǎn)，為了盡量排除外界干擾同時(shí)為了減少探針逼近時(shí)不必要的浪費(fèi)，提高逼近系統(tǒng)的自動(dòng)化性能，本研究通過(guò)無(wú)線通信與現(xiàn)代控制技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)近距離無(wú)線控制步進(jìn)電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)樣品與微探針逼近，而且可以實(shí)時(shí)觀察探針操作結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線控制AFM正常工作的前提是，保證無(wú)線通信正常，其次是探針充分逼近樣品進(jìn)入原子力狀態(tài)，使微懸臂發(fā)生一定量的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)特定的檢測(cè)裝置，將微懸臂的偏轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的偏置電壓值。因此，通過(guò)無(wú)線控制電路發(fā)送數(shù)據(jù)，然后通過(guò)對(duì)比電壓的采集，分析和處理，可以無(wú)線控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)AFM的自動(dòng)逼近。系統(tǒng)由PC機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線收發(fā)模塊。基本原理是：首先通過(guò)上位機(jī)設(shè)置參考電壓值VREF，即預(yù)置一個(gè)微懸臂偏轉(zhuǎn)量，然后通過(guò)PC發(fā)送操作指令，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸，當(dāng)VIN不等于VREF時(shí)，表明探針還在接近樣品過(guò)程中，原子間無(wú)相互作用力，步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到采集到的電壓值與預(yù)設(shè)值相等為止。接下來(lái)AFM開始對(duì)樣品進(jìn)行掃描。掃描的過(guò)程需要將下位機(jī)掃描的各種數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。以便對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行觀察及操作。為了能實(shí)時(shí)傳輸各種數(shù)據(jù)需要對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和圖像數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行優(yōu)化[4]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換芯片

對(duì)于A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文采用北京中泰公司的USB-7648B型號(hào)，A/D卡USB-7648A/7648B系列是真正即插即用USB數(shù)據(jù)采集模塊，USB-7648系列帶有8路并模擬輸入、3路16位計(jì)數(shù)器、24路可編程數(shù)字量輸入輸出、8路固定數(shù)字量輸出。

原子力顯微鏡系統(tǒng)中，力檢測(cè)普遍采用懸臂梁光電偏轉(zhuǎn)法。探針與樣品間的作用力使得懸臂梁產(chǎn)生形變，懸臂梁形變是通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)激光器投射在懸臂梁上的反射光點(diǎn)偏移量確定的。需要對(duì)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼可得出懸臂梁的縱向形變信號(hào)（正壓力信號(hào)）、橫向扭轉(zhuǎn)變形信號(hào)（摩擦力信號(hào)）和光電探測(cè)器四象限的總強(qiáng)度信號(hào)這三路信號(hào)。反饋控制系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)這三路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高速、高精度、同步數(shù)據(jù)采集[5]。所以A/D轉(zhuǎn)化器至少有3通道的同步采集，分辨率不低于14位，每通道采樣速率最好高于100 Ksps。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

本文采用電控平移臺(tái)豎直放置方法實(shí)現(xiàn)探針在垂直方向的升降。電控平移臺(tái)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整自動(dòng)化，由于AFM針尖與樣品表面之間的距離必須達(dá)到納米級(jí)才驅(qū)能使原子之間發(fā)生作用力，繼而導(dǎo)致微懸臂偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏置電壓，因此，首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行粗調(diào)使探針接近樣品表面，然后通過(guò)精細(xì)進(jìn)針使AFM針尖與樣品逼近。要達(dá)到納米級(jí)的定位精度，必須對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行步距細(xì)分。

PI公司生產(chǎn)的M-126電控平移臺(tái)其行程為25 mm，精度為3.5 nm，最小增量為0.1 um，螺距0.5 mm。電控平移臺(tái)與PI公司的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器C-663相連，其細(xì)分精度為16（6400步/圈）。這樣的參數(shù)使可以滿足對(duì)原子力探針的逼近。

2.3 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

無(wú)線控制系統(tǒng)是以通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門先進(jìn)技術(shù)。正是由于通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線控制技術(shù)得以快速的發(fā)展[6]。無(wú)線控制系統(tǒng)可以劃分為：上位機(jī)控制端、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)與控制系統(tǒng)。無(wú)線控制上位機(jī)采用一臺(tái)PC機(jī)作為無(wú)線遠(yuǎn)程控制工作站，由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量比較大以及對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高。在比較了各種無(wú)線傳輸方式后采用無(wú)線網(wǎng)卡TP-LINK TL-WN851N 802.11g無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器，其傳輸速率最高可達(dá)到300 Mbps。納米機(jī)器人控制系統(tǒng)組成本地控制系統(tǒng)，其控制PC機(jī)也采用TP-LINK TL-WN851N無(wú)線網(wǎng)卡。這樣我們就組件一個(gè)小的局域網(wǎng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，我們以納米動(dòng)機(jī)器人為控制對(duì)象，在Windows環(huán)境下開發(fā)基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的控制平臺(tái)實(shí)例，平臺(tái)采用上位機(jī)下位機(jī)和TCP/IP協(xié)議，無(wú)線控制端為客戶機(jī)，以納米機(jī)器人端的控制器為服務(wù)器。由系統(tǒng)的硬件架構(gòu)可知兩端都采用了PC機(jī)，因此，我們采用客戶端服務(wù)器的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，一方面現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以不受遠(yuǎn)端操作人員控制來(lái)控制納米機(jī)器人；另一方面遠(yuǎn)端操作人員也可以控制以及對(duì)AFM納米機(jī)器人操作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理[7]。endprint

3.2 程序設(shè)計(jì)

客戶端可以通過(guò)服務(wù)器控制步進(jìn)電機(jī)，觀察控制信號(hào)輸出及數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。

前面提到服務(wù)器是由納米機(jī)器人端的PC機(jī)來(lái)承擔(dān)的，因?yàn)樗彩菣C(jī)器人本地控制系統(tǒng)的客戶端，所以服務(wù)器程序啟動(dòng)后首先是作為AFM本地控制系統(tǒng)的客戶端與AFM位操作服務(wù)系統(tǒng)建立連接，并獲取所需要的相關(guān)信息，然后它才作為遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行工作。在此之后不斷在客戶端和服務(wù)器端來(lái)回交換角色，一是為了接收無(wú)線控制端的命令數(shù)據(jù)并向AFM傳送控制命令；二是為了向AFM請(qǐng)求其相關(guān)狀態(tài)信息并傳送給遠(yuǎn)程控制端。

VC++程序設(shè)計(jì)大部分是借助Socket實(shí)現(xiàn)的。Socket是Microsoft公司提供的主要用于網(wǎng)絡(luò)通信編程的ActiveX控件。同時(shí)采用了應(yīng)用于無(wú)線控制平臺(tái)中的多線程編程技術(shù)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)原子力顯微鏡的無(wú)線操控，可以遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)液相下原子力顯微鏡對(duì)生物細(xì)胞的掃描納米操縱等試驗(yàn)。該系統(tǒng)結(jié)合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，其控制端能正確地將數(shù)據(jù)傳送出去；同時(shí)，接收端也能正確接收并顯示數(shù)據(jù)。此外，該系統(tǒng)采用了比較完善的軟件、硬件設(shè)計(jì)以及抗干擾措施，這樣就可以保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，并具有通用性，便于投入實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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